更高效智能的能源利用是当今社会一个重中之重的话题。要想达到可持续发展,我们必须解决气候变暖/资源紧缺、城市扩张、人口激增以及数字化等多方面的问题。高效智能的能源利用反映到性能上,即更安全、更便捷、更清洁、更高效。要达到这四点,过去20年IGBT交了一份很好的答卷。但是到现在这个阶段,如果要更上一层楼,再有一个质的飞跃,那IGBT已经捉襟见肘了。相比之下,碳化硅则是一种可以从量变到质变实现很大飞跃的元器件,因此是业界非常重要的一个战略方向。

碳化硅相比硅基半导体主要有以下几个特点。提高性能——高温、高压、高频/高速,包括损耗降低。功率密度提高,则对于同样的电流,设备的尺寸可以做得更小。沟槽型的技术可以使失效率更低。频率提高,则电容电感体积的要求可大大减少,系统尺寸也会大大减少。简化控制,降低系统成本。碳化硅目前的一个劣势是相比IGBT成本比较高,但是由于它的高频,散热性能可以提高,电容电感尺寸要求可大大减少,因此可以降低系统的成本。

日前,英飞凌公司在深圳举办了“未来已来,英芯不怠”(即指碳化硅的未来已经到来,我们不能再继续等了)的技术研讨会,会后英飞凌工业功率控制事业部也举办了媒体见面会,会上,英飞凌大中华区工业功率控制事业部副总裁于代辉和英飞凌科技香港有限公司工业功率控制事业部总监马国伟博士为我们透露了好多的SiC的市场和技术细节。

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于代辉表示,SiC应用最快的应该是电动汽车充电、光伏及UPS。这些市场对性能要求较高,SiC可以满足要求,使系统尺寸降低,效率提升。然后是牵引、电动汽车车载充电、电机驱动等等。

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他指出,目前还没有迹象SiC可以全面取代IGBT,后者在某些领域还是会有优势的。据市场研究机构Yole预计,目前整个功率器件市场大概有一百多亿欧元。而碳化硅到2020年市值才到4亿美元,2022年到10亿美元,和IGBT比还是有差距。“实际这个体量还是没法比的,我认为碳化硅是在一些特定领域,比如高精尖领域是有非常大的优势,可以取代IGBT。但是如果这是金字塔,它是金字塔尖那部分。因为成本也很重要,毕竟IGBT比较成熟,我们没有看到完全替代的迹象。”他说。

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SiC适合太阳能的非标应用

SiC目前已经有产品,是从1200V开始的(1200、1700、3300、6500V是工业中常见的几个等级)。然后它会往更小(体积)、更大(功率)、更高(电压)这三个方向发展。另外,碳化硅可以用来做非标应用。“举例来说,太阳能现在的方向是从1000V系统电压走到1500V,因为这样可以使效率提高,投资减少。但1500V对IGBT来说是一个非常尴尬的电压——1000V系统电压可以用1200V的器件处理,1500V系统电压用什么器件来处理?用1700V裕量不够,缺陷率很高。上一个等级,3300V,相差又太远,成本不划算。所以现在的做法是用三电平,即把两个1200V的串起来,等效2400V。因此,1700和3300V之间有很多空间可以发展。”他补充说。

沟槽之于平面的优势

前面谈到,沟槽技术相比平面技术可以降低失效率。马国伟解释说,首先,要用三言两语来准确解释元胞结构是非常困难的。沟槽技术简单来说有两个优点,即可靠性和性能,但前提是有了可靠性才有性能。沟槽可以提高可靠性,原因是同一个碳化硅晶体结构上,平面跟侧面的缺陷密度可能相差50倍,使用平面作通道会增加故障率,因此现在改用沟槽技术。

平面技术有它的难处,沟槽技术也有它的难处。平面技术的难处是只有靠提高门极氧化层电场这一个解决办法,但这会牺牲可靠性。沟槽技术的难处在于在关断状态,沟槽的尖角会产生强电场。因此对所有沟槽的设计,都要考虑沟槽产生的高电场如何得到屏蔽。

SiC vs. IGBT的驱动问题

那在取代IGBT方面,在驱动方面碳化硅跟IGBT会否有很大的不一样呢?马国伟表示,驱动技术是影响碳化硅器件落地的一个重点,SiC与IGBT驱动方式二者之间既有相同也有不同,目前SiC在器件方面和IGBT已经做到很接近,比如门极电压范围已经做得很接近,但是毕竟碳化硅是开关速度很高的大功率器件,驱动任何高速的大功率器件都要很小心,因为杂散电感会产生振荡,而容易产生误触发。

碳化硅一方面开关速度很快,第二方面驱动电流要求较低,但是保护的时候,反应速度要快很多——IGBT有10μs时间可以处理危险状况,SiC则是3μs。对此,英飞凌有专用的系统芯片,能够在指定的3μs内实现关断。英飞凌对此做过试验,能够关断一类短路和二类短路。对IGBT来说,二类短路是最危险的,也是最难做保护的。而对碳化硅来说,二类保护没有特别的不同。英飞凌已经有相关报告,可以提供现成的驱动产品。

大功率充电桩:IGBT频率达不到,必须要上SiC

那碳化硅充电桩项目会比现在普通的充电桩效能会提高多少呢?马国伟回答说:“我借用客户的话,客户关心的是功率。300kW充电桩需要好多模块并联出来的,每个模块达到几十kW。在这个有限的空间里要提高功率并同时降低功耗,那就必须要提高频率。在700V的输出电压下要做到100kHz开关频率,技术上在IGBT是不可能的,因为频率要比正常的IGBT工况高10倍,损耗太大。所以这时候技术上唯一选择就是碳化硅。这是为什么在我们看来是第一个走出来的应用,而且是自然必定会走出来的应用,因为它是从前做不到的一个技术。”

充电时间缩短,续航能力增强,可以不需要那么多充电桩

另外,他指出,碳化硅充电桩应用要靠政府推动。对于北京上海这样的大城市,充电桩成本是一方面,但更大的问题是用地。“首先,如果政府愿意去补贴充电桩,让一个大城市里每10公里半径内就有一个充电桩,在高速公路上有相应的充电设施。这个网布好了,现在讲电动车充电。我们不是讲多少时间充满,而是讲充一次电可以让你跑多少公里。我足够让你跑到几个站,或者够你跑一天,那就肯定足够了。如果再有一个大概的标准或规范,15分钟20分钟,时间定了,续航能力也定了,差不多充电的功率也能算得出来。”他说,“所以,现在充电器都是几百kW的等级。要把几百kW的充电器放在一个小小的箱子里,就需要碳化硅。”

于代辉补充说,充电桩远远比不上电动汽车的发展,其实是越来越没有地方安装充电桩了。小区都安满之后,不是很容易,地方就那么多。然而,如果将碳化硅引进来,反而不见得需要那么多充电桩,因为单个充电桩的充电时间减短了,续航里程拉长了,其实对充电桩的数量需求反而是减少了。另外,对于小区来说,由于充电时间缩短,还可以几户人共用一个充电桩。

新能源汽车用SiC之于工业用的区别

对于新能源汽车的动力部分,他表示,第一,它跟工业应用的电压不同——是650V而不是1200V。650V对于碳化硅来说,有点杀鸡用牛刀的味道——用高压器件去做低压的事情。第二,温度循环不同。温度循环要求很高,对碳化硅来说是一个要处理的难题。当然,还有大功率密度。碳化硅器件可以很容易地实现大功率密度,但对汽车应用也需要新的封装。它与工业用的不同,工业环境相对比较好,可以把封装做成很便于布局。但汽车不可以,它还是要用比较传统的封装。

空调厂引入SiC去做!竞!赛!

另外,于代辉透露,目前有几家大的空调厂,他们也对SiC感兴趣,因为它可以节省电费。“用户买了看初期投资,你就优势少一点,但把省下来的电费给他算进去就是一个优势。我认为这还属于一个创新阶段。”他说。

马国伟补充说:“国内某空调厂商希望要上品牌而考虑使用SiC,因为是希望用来做出最高能效的空调去日本竞赛能效奖,以提高品牌价值……”

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