碳化硅MOSFET在新能源行業(yè)有怎樣的應(yīng)用和發(fā)展

1、碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管SiC-MOSFET

在碳化硅電力電子器件的研究中，SiC-MOSFET是最受關(guān)注的器件。在Si材料接近理論性能極限的今天，SiC功率器件由于具有耐壓高、損耗低、效率高等特點(diǎn)，一直被視為理想器件而備受期待。不過(guò)，與以往的Si材料器件相比，SiC功率器件在性能和成本之間的平衡以及其對(duì)高技術(shù)的要求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

2、碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)

碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)的N+源區(qū)和P阱摻雜均采用離子注入摻雜，并在1700°C的溫度下進(jìn)行退火和激活。另一個(gè)關(guān)鍵工藝是碳化硅MOS柵氧化層的形成。由于碳化硅材料中同時(shí)含有Si和C原子，因此需要一種非常特殊的柵介質(zhì)生長(zhǎng)方法。SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)，以最大限度地發(fā)揮SiC的特性。

3、碳化硅MOS的優(yōu)點(diǎn)

硅IGBT通常只能工作在20kHz以下的頻率。由于材料的限制，高壓和高頻硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適用于600V至10kV的寬電壓范圍，而且具有單極器件的優(yōu)良開(kāi)關(guān)性能。與硅IGBT相比，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路中沒(méi)有電流拖尾時(shí)，碳化硅MOSFET具有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的工作頻率。

一個(gè)20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比一個(gè)3kHz的硅IGBT模塊低一半，一個(gè)50A的碳化硅模塊可以取代一個(gè)150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。對(duì)于相同額定電流為900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二極管的反向電荷僅為相同電壓規(guī)格的硅基MOSFET的5%。對(duì)于橋式電路(尤其是當(dāng)LLC轉(zhuǎn)換器工作在諧振頻率以上時(shí))，這個(gè)指標(biāo)是非常關(guān)鍵的。可以減小體二極管的死區(qū)時(shí)間和反向恢復(fù)帶來(lái)的損耗和噪聲，便于改進(jìn)。開(kāi)關(guān)工作頻率。

4、碳化硅MOS管的應(yīng)用

碳化硅MOSFET組件在光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通等中、大功率電力系統(tǒng)應(yīng)用中具有巨大優(yōu)勢(shì)。碳化硅器件的高電壓、高頻率、高效率的優(yōu)勢(shì)，可以突破現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)中器件性能的限制。這是目前國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車(chē)電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。例如，電裝和豐田聯(lián)合開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)和純電動(dòng)汽車(chē)(EV)中的功率控制單元(PCU)采用碳化硅MOSFET模塊，體積比降低到1/5。三菱公司開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用SiC MOSFET模塊。功率驅(qū)動(dòng)模塊集成到電機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了集成化、小型化的目標(biāo)。以預(yù)計(jì)，碳化硅MOSFET模塊在近幾年內(nèi)將在國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用。

5、SIC碳化硅MOS管的研制

我國(guó)碳化硅MOS管的使用率還很低，處于叫好不叫座的尷尬局面。原因主要有以下幾點(diǎn)。

價(jià)格偏高

許多工程師也認(rèn)為，碳化硅MOS的價(jià)格是硅MOS的幾倍。以100A/1200V(17毫歐內(nèi)阻)為例，國(guó)外各大品牌在2023年初的單價(jià)普遍在300元以上。

發(fā)貨周期太長(zhǎng)

目前國(guó)外品牌的貨源普遍非常緊張，部分品牌的訂單周期甚至達(dá)到4—12個(gè)月。

驅(qū)動(dòng)電路難以選擇

驅(qū)動(dòng)碳化硅MOS管時(shí)，由于需要負(fù)電壓關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電流比較大，需要一個(gè)匹配的驅(qū)動(dòng)電路工作。不過(guò)，目前市面上的驅(qū)動(dòng)電路很少，單價(jià)也比較高。

如今，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，上述問(wèn)題已一一得到解決。

高單價(jià)的問(wèn)題：

目前，國(guó)內(nèi)品牌已開(kāi)始批量生產(chǎn)碳化硅MOS管產(chǎn)品，打破了國(guó)外品牌壟斷。據(jù)估計(jì)，隨著制造的國(guó)產(chǎn)化，碳化硅MOS將大大低于同等電流水平下的硅MOS和IGBT器件。SiC MOSFET價(jià)格將繼續(xù)下跌。

供應(yīng)周期問(wèn)題：

國(guó)外碳化硅MOS管供應(yīng)商基本上是接到訂單后才安排生產(chǎn)的。此外，近年來(lái)電動(dòng)汽車(chē)制造商的訂單激增，導(dǎo)致其供貨周期普遍較長(zhǎng)。

然而，國(guó)內(nèi)廠商進(jìn)入碳化硅MOS管領(lǐng)域后，就徹底打破了這一模式?；旧?，我是提前估計(jì)需求，自己準(zhǔn)備大量的商品。一般情況下，客戶一下訂單，普通型號(hào)就可以提貨。

驅(qū)動(dòng)電路：

目前，國(guó)內(nèi)許多客戶使用分立元件構(gòu)建驅(qū)動(dòng)電路。大家都發(fā)現(xiàn)，這種電路不僅性能優(yōu)良，而且元器件容易采購(gòu)，成本也很低。

此外，使用KeepTops碳化硅MOS管還可以幫助您解決以下問(wèn)題：

1、顯著提高效率，降低系統(tǒng)溫升。

典型應(yīng)用：電動(dòng)車(chē)控制器、風(fēng)能、太陽(yáng)能逆變電源等。

2、縮小電源的體積。

典型應(yīng)用：手機(jī)快速充電，工業(yè)電源。

SiC MOSFET的發(fā)展現(xiàn)狀指出，解決方案的主要商業(yè)障礙，包括價(jià)格，可靠性，耐用性和供應(yīng)商的多樣性。盡管價(jià)格高于硅IGBT，SiC MOSFET已經(jīng)成功，由于成本抵消系統(tǒng)級(jí)的好處。著材料成本的下降，這一技術(shù)的市場(chǎng)份額在未來(lái)幾年將顯著增加。在過(guò)去的兩年中，SiC MOSFET似乎終于準(zhǔn)備好了廣泛的商業(yè)成功，并在綠色能源運(yùn)動(dòng)中發(fā)揮重要作用。

審核編輯：湯梓紅