SiC IGBT--PET的未来?

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SiC SBD和 MOS是目前最为常见的 SiC 基的器件,并且 SiC MOS 正在一些领域和 IGBT争抢份额。我们都知道,IGBT 结合了 MOS 和 BJT 的优点,第三代宽禁带半导体SiC 材料又具有优于传统 Si 的特性,那么为什么见得最多的却是 SiC MOS,SiC IGBT 在哪儿呢?

 

我们都知道,Si 基 IGBT 目前依旧处于霸主地位,而随着第三代宽禁带半导体材料 SiC 的发展,有关 SiC 的器件陆续出现,并且尝试着取代 IGBT 应用到的相关行业。如新能源汽车,SiC 功率器件正在全力进入的领域,像特斯拉的 SiC MOS 并联方案,以及各半导体厂家正在全力布局的汽车级 SiC MOS 模块,根据前面我们提到的 SiC 材料的特性,更高功率、高频率以及高功率密度的电控正在慢慢浮出水面。既然 SiC 在材料以及 IGBT 在器件的优势如此明显,那么为什么没有 SiC IGBT 出现?

 

首先,每个企业的生存考虑到的一个关键因素 -- 成本,就目前 SiC 功率器件而言,价格上并没有太大的优势,可想而知 SiC IGBT 的价格在大多数应用场合是多么的"毫无竞争力"。有些行业已经不是技术为导向,而是成本为主要因素,更是用不到 SiC IGBT。就算"不差钱"的新能源汽车行业目前也仅仅觊觎 SiC MOS。所以,成本是目前 SiC IGBT“生存”的最为关键的因素!

 

那 SiC IGBT 未来最有可能先出现在哪儿呢?答案就是我们今天要聊到的 -- 电力电子变压器 PET,也称固态变压器 SST 或者智能变压器 ST。一般指通过电力电子技术和高频变压器的组合来实现具有传统工频交流变压器功能但不限于此的新型电力电子设备。

 

PET 一般应用于中高压场合,电力机车牵引用的车载变流器;智能电网 / 能源互联网以及分布式可再生能源发电并网等。优点:兼容性好、可控性高以及良好的电能质量。下图是基于传统工频交流变压器和电力电子变压器的低压配电网的结构图,大家可以体会一下什么是 PET:

 

图片来源网络,侵删

 

目前,PET 依旧有如下的问题或者说是瓶颈:电能转换效率低、功率密度低、造价高和可靠性差等。而瓶颈产生的主要因素是应用其中的功率半导体器件的耐压水平有限,导致 10kV 电压需要采用多单元级联的拓扑,从而导致了功率器件、储能电容、电感等数量相当的庞大。

 

可见,想要有所突破便需要更高耐压、更低损耗的功率半导体器件诞生 --SiC IGBT!

 

由于 Si 基 IGBT 的电压容量、频率上限、允许工作温度等,应用的 PET 没有再多的突破。而我们前面提到的第三代宽禁带半导体 SiC 的优点,击穿电场特别强、禁带宽度大、电子饱和漂移速度快、热导率高等,使其能够满足更高频率、更高耐压、更高功率等场合,可以使得目前电力电子变压器 PET 突破瓶颈,更上一层楼~

 

有人就会问,那为什么 SiC MOS 不行呢?这就和我们开篇提到的,除了材料优势,还要有器件优势!随着阻断电压的升高和运行结温的升高,最直观的是 SiC MOS 的通态电阻也会大幅度增加,导致的损耗会很大,使得其并不适合以 10kV 以上电压的设备。而 SiC IGBT 将会有优越的通态特性,以及开关速度和良好的安全工作区域,在 10kV~25kV 的场合"大显身手"。

 

罗姆SiC器件

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