SiC助力轨道交通驶向“碳达峰”

当前,全球主要国家和地区都已经宣布了“碳达峰”的时间表。在具体实现的过程中,轨道交通将是一个重要领域。由于用能方式近乎100%为电能,且带动大量基础设施建设,因此轨道交通的“碳达峰”虽然和工业的“碳达峰”路径有差异,但总体实现时间将较为接近。在中国,这个时间节点是2030年之前。

当然,“碳达峰”在每一个领域都有狭义和广义的区分,比如在工业领域,一方面是重点企业自身通过节能+绿电的方式实现“碳达峰”,另一方面也需要围绕重点企业的产业链上下游全面实现能耗降低。对于轨道交通也是如此,狭义层面的轨交工具,以及广义层面的所有配送电设施和其他基础建设,以及上下游产业链均需要实现“碳达峰”。

本文我们将重点介绍第三代半导体中的SiC(碳化硅)如何助力轨道交通完成“碳达峰”目标,并为大家推荐贸泽电子在售的领先的SiC元器件精品。

SiC在轨道交通中的应用

SiC和氮化镓(GaN)等是第三代半导体的代表材料。通过下图能够看到,与第一二代半导体材料相比,SiC等第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率、更高的电子饱和漂移速率及更高的抗辐射能力,因此特别适合高压、高频率场景,帮助相关领域提效降耗。

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图1:半导体材料特性对比(图源:海通证券)

得益于SiC材料优异的电气性能,SiC功率器件成为半导体厂商布局的热门赛道,从厂商属性来看,主要以IDM类型厂商为主。综合而言,SiC功率器件主要分为两大类,分别是SiC功率二极管和SiC功率晶体管。其中SiC功率二极管又会包括肖特基二极管和PiN二极管;SiC功率晶体管则主要是SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT和SiC晶闸管。从目前的产品发展情况来看,SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的商业化水平最高。

更深入地看,SiC肖特基二极管是当前速度最快的高压肖特基二极管,在实际的开关应用中,SiC肖特基二极管反向恢复时间为零,可以大幅提升开关频率,并且开关特性不受结温的影响。SiC肖特基二极管能够显著降低开关损耗,帮助打造更高功率密度的整体方案。此外,SiC肖特基二极管正向压降(Vf)为温度特性,易于并联。

作为传统Si IGBT的潜力替代选项,SiC MOSFET同样具有不胜枚举的性能优势,我们在此简单列举几项。比如,SiC的介电击穿场强大约是Si的10倍,因而SiC MOSFET具有高耐压和低压降的特性,在相同耐压条件下,SiC MOSFET比Si IGBT的导通损耗更低,同时器件尺寸更小;MOSFET原理上不产生尾电流,因而SiC MOSFET比Si IGBT有着更低的开关损耗,能够打造更高功率密度的系统方案,且能够工作于更高频的场景下;此外,SiC MOSFET更利于方案厂商进行小型化和轻量化设计。

凭借着优异的产品特性,SiC功率器件市场发展迅速。根据市场分析机构Omdia的统计数据,2019年全球SiC功率器件市场规模为8.9亿美元,受益于轨交、新能源汽车、光伏等下游市场的需求量不断提升,预计到2024年全球SiC功率器件市场规模将达26.6亿美元,年均复合增长率达到24.5%。

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图2:全球SiC功率器件市场规模预测(图源:中商产业研究院)

在轨道交通领域,牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等环节均可用到SiC功率器件。比如在轨道交通的电力牵引系统中,牵引变流器是其中的核心器件,相较于机车大功率交流传动系统过往使用IGBT,采用SiC功率器件替代后,整体方案在高温、高频和低损耗等技术参数方面得到显著改善。并且,SiC功率器件可以在更高的频率下切换,系统中的变压器、电容、电感等无源器件的数量和体积明显减小,改善了整体方案的体积和重量,提升轨交机车的能效水平。

根据苏州轨道交通官方的测试数据,苏州轨交3号线0312号列车作为国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目,相较于过往使用IGBT逆变器、三相交流异步电机、车控牵引系统,新一代牵引系统可实现牵引节能20%,系统最大质量减小19%,对我国轨道交通的“碳达峰”进程,有巨大的借鉴和推动作用。

未来,中国以及全球的轨道交通的电气系统将呈现高频化、小型化、轻量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趋势,凭借着器件本身和拓扑结构等方面的优势,SiC功率器件在轨道交通中的应用前景光明且广阔。

当然,为了响应轨道交通,以及新能源汽车、储能、光伏、电网等下游领域的发展趋势,SiC功率器件也会持续得到优化。未来,SiC功率器件的发展趋势将分为两个层面。在器件本身,SiC功率器件将继续强化在高频、高耐压和高集成等方面的优势,提升器件在各行业中的渗透率;在产业层面,由于SiC器件的制造成本中,SiC衬底成本占比50%,因而提高衬底生产速率及良率将是后续产业的重中之重。

随着SiC功率器件的性能逐渐优化,产能继续爬坡,轨道交通、新能源汽车、储能等下游领域将广泛受益,为各产业实现“双碳目标”提速。作为知名的电子元器件分销商,贸泽电子将持续为广大工程师朋友带来全面的SiC功率器件组合,以及先进的SiC功率器件新品。下面,就让我们一起来看几款来自制造商Infineon(英飞凌)的高性能的SiC功率器件方案。

英飞凌 CoolSiC™ 1700V SiC沟槽式MOSFET

我们在上面提到,目前全球SiC功率器件的主要玩家基本都是IDM厂商。而在这些厂商当中,英飞凌的布局是较早的,该公司在2001年就已经推出首款SiC肖特基二极管,目前产品已经经过了多次的技术迭代。英飞凌在SiC和GaN这些新型宽禁带功率电子器件领域已经有超过20年的技术积累,并且提供广泛的产品组合,包括Si器件、SiC器件和GaN器件。

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图3:英飞凌宽禁带功率电子器件布局(图源:英飞凌)

经过20多年的深厚积累,英飞凌拥有完整的SiC供应链,提供满足最高质量标准的丰富的SiC产品组合,从超低压到高压功率器件等不一而足,可以保证实现较长系统使用寿命并带来高可靠性。

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图4:英飞凌 CoolSiC™ 各系列产品(图源:英飞凌)

和传统Si器件相比,SiC器件具有一系列的性能优势,上面我们已经提到了相关优势,此处不再赘述。我们要说的是,在SiC MOSFET方面,英飞凌 CoolSiC™ MOSFET技术为系统设计人员带来高性能、可靠性和易用性,显著改善了器件的反向恢复特性,给方案设计提供了新的灵活性,以利用出色的效率和可靠性水平。

英飞凌CoolSiC™ MOSFET产品提供1,700V、1,200V和650V的产品选择,为轨道交通、光伏逆变器、电池充电、储能、电机驱动、UPS、辅助电源和SMPS等领域赋能。

在1,700V电压等级上,英飞凌CoolSiC™ 1700V SiC沟槽式MOSFET采用新型碳化硅材料,优化用于反激式拓扑结构。我们以IMBF170R1K0M1XTMA1为例来展开说明,大家可以通过搜索此物料号在贸泽电子平台上快速找到这款器件。

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图5:IMBF170R1K0M1XTMA1(图源:贸泽电子)

IMBF170R1K0M1XTMA1具有12V/0V栅极-源极电压,兼容大多数反激式控制器。该器件针对反激式拓扑进行了优化,可在高效率水平下实现简单的单端反激式拓扑,可用于在众多电源应用中连接到600V至1,000V直流母线电压的辅助电源。IMBF170R1K0M1XTMA1具有更高的工作频率和极低的开关损耗,以及用于EMI优化的完全可控dV/dt,可用于实现高功率密度的方案设计。

通过采用TO-263-7高爬电距离封装,IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中,自然对流冷却,无需额外的散热器,并且由于延长了封装的爬电距离和间隙距离,减少了隔离工作,从而进一步降低系统复杂度,提升功率密度。

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图6:IMBF170R1K0M1XTMA1内部框图(图源:英飞凌)

需要特别强调的是,为了确保提供适合各自应用的系统方案,英飞凌仍在继续优化基于SiC产品的组合方案。鉴于使用隔离栅极输出段可以更轻松处理超快开关功率晶体管(如CoolSiC™ MOSFET),英飞凌基于其无芯变压器技术推出了匹配的电隔离EiceDRIVER™ 栅极驱动IC。英飞凌建议,用该公司的EiceDRIVER™ 栅极驱动IC来补充英飞凌CoolSiC™ MOSFET,以充分利用SiC技术的优势,提高效率、节省空间并减轻重量、减少零件数量和增强系统可靠性。

凭借这些出色的器件性能,IMBF170R1K0M1XTMA1以及英飞凌CoolSiC™ 1700V SiC沟槽式MOSFET解决方案不仅可以用于轨道交通相关领域,并且在电动汽车快速充电、储能系统、工业电源和光伏逆变器等领域都有重要应用。

英飞凌 1200V CoolSiC™ 模块

如上所述,英飞凌CoolSiC解决方案不仅包含分立器件,还有SiC模块。发展至今,英飞凌已经生产销售数百万个混合模块(快速硅基开关与CoolSiC™ 肖特基二极管的组合),进一步增强了该公司在SiC技术领域的市场地位。

我们以英飞凌CoolSiC™ MOSFET模块展开,这些模块采用不同的封装和拓扑结构,提供从45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓扑结构,并支持根据不同的应用需求进行定制,以此提供不同的配置,例如3电平、半桥、四组、六组或作为升压器,帮助逆变器设计人员实现出色的效率和功率密度水平。

综合而言,英飞凌1200V SiC MOSFET模块提供非常高的栅极氧化物可靠性和先进的沟槽设计,具有较高的效率和系统灵活性。在此,我们为大家推荐该系列产品中的F3L11MR12W2M1B74BOMA1,大家也可以通过搜索此物料号在贸泽电子平台上快速了解这款模块。

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图8:F3L11MR12W2M1B74BOMA1(图源:贸泽电子)

F3L11MR12W2M1B74BOMA1基于CoolSiC™ 沟槽MOSFET技术打造,采用3级ANPC拓扑、近阈值电路(NTC)和PressFIT触点技术,拥有诸多优秀的产品特性,包括具有1,200V开关的完整1,500VDC能力、高频工作、大电流密度、低电感设计、低器件电容、与温度无关的开关损耗,以及较高的功率密度等等。

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图9:F3L11MR12W2M1B74BOMA1内部框图(图源:英飞凌)

并且,通过F3L11MR12W2M1B74BOMA1的器件详情页能够看到,英飞凌1200V CoolSiC™ 模块提供最广泛的Easy产品组合,拥有多个产品规范,同时模块间还可以并联使用,使得开发人员的逆变器设计自由度更高,优化开发周期时间和成本。

总结

目前,在中国市场,无论是上述提到的国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目——苏州轨交3号线0312号列车,还是国内首台全碳化硅牵引逆变器地铁列车——深圳地铁1号线列车,SiC在轨道交通方面的应用已经全面展开,并已经成为项目中的核心亮点,使得相关列车具有更轻的质量、更可靠的品质和更低的能耗。

随着全球SiC产品技术和产业链的完善,未来轨道交通对于SiC的使用率会显著提升,将全面进入SiC时代,加快”碳达峰”的脚步。在此过程中,SiC分立器件以及SiC模块是系统的基石,作为半导体和电子元器件业的全球分销商,贸泽电子将持续为工程师朋友带来全面的SiC产品组合,助力包括轨道交通在内的更多行业,更快地实现自己的“双碳目标”。

文章来源:贸泽电子