随着碳化硅(SiC)材料在功率电子器件上的应用,电源产业的技术革命已揭开序幕。 这些新器件具有开关速度快、损耗小等众多优点,是硅器件难以达到的。 更高的功率密度与转换效率,是电力电子产业永远追求的目标。这些新器件的实际应用,为电力电子产业创造了全新的可能。基于以上原因,许多电源研究人员,已经将未来的产品发展重心放在碳化硅等新一代材料的应用导入上。
碳化硅具有极佳的材料特性,可以显著降低开关损耗,因此电源开关的操作频率可以大为提高,从而使电源系统的尺寸明显缩小。至于在转换效率方面,相较于硅晶体管在单极操作下无法支持高电压,碳化硅即便是在高电压条件下,一样可以支持单极操作,因此其功率损失、转换效率等指针性能的表现,也显著优于硅组件。
不过,碳化硅材料虽然在电力电子应用上有很多优势,但其可靠性还是一大问题,也因为这个缘故,早在十多年前就已展开研究的SiC,直到近年来才得到商业应用。 其中,又以各种大功率应用最适合导入SiC组件,因为其所带来的商业效益十分明显。
目前大功率电力设备多半仍以机械结构为主,因此造价高昂,且产品相当笨重,需要经常维修。 为了克服这些缺点,以SiC为代表的新一代大功率电力设备应运而生。 以往电力电子组件通常在动辄数百伏特、甚至上千伏特的高压条件下工作效率十分低下,因此大功率电力设备只能采用以机械为主的设计。 但在碳化硅元件进入商业量产后,目前1,200伏特的高压电应用也可用电力电子的架构来设计,越来越多的场合开始使用电力电子方案来替代原有方案。现在碳化硅已引起了家电、电机驱动、新能源等应用领域的关注,未来商机可望逐渐发酵。
电动汽车作为新能源的代表已对碳化硅器件表现出十分大的需求,主要原因在于碳化硅器件可实现更高的频率,从而使电源系统设计更加小型化,轻量化,实现更高的功率密度。无论是汽车的动力总成系统还是充电桩,通过碳化硅器件都可对其进行优化。
设备的重量是衡量车载系统的一个重要指标。 若车上的驱动器、充电系统能做得越小巧,则电动车的电池续航能力越高, 这也是电动车厂商对碳化硅解决方案趋之若鹜的主要原因。为了实现电动车的快速充电,提高电动车的实用性,支持20kW、甚至25kW输出的电动车充电桩,已经开始出现在市场上。这也使得电动车充电桩的功率密度需求增加,并促使相关业者舍弃传统硅组件,转向碳化硅组件。
然而,由于是新材料、新工艺,因此碳化硅的价格至今仍比传统硅器件高出一截,形成其一个较大的劣势。 目前碳化硅器件的价格大约是同等级硅器件的3∼4倍之间,故许多厂商在使用时会有一定疑虑。因此,目前其定位还是应用于对于器件要求比较高的场合。而且,随着技术的不断成熟,碳化硅器件的价格也在快速降低。
事实上,以英飞凌为例,目前该公司的碳化硅组件生产已经从4吋晶圆升级到6吋晶圆,未来若市场需求继续成长,继续朝8吋,甚至12吋晶圆转进,也是有可能的。 而随着晶圆尺寸放大,碳化硅组件的成本将会比现在更有竞争力。此外,碳化硅开关器件的驱动要求与传统硅器件也不是完全相同。因此其驱动电路需要重新开发,但相信随着技术的普及,其相应的集成电路也会得到开发应用。
总体来说,虽然碳化硅的大规模应用还需要一段时间,但却不是遥不可及的梦想。在不断追求质量与技术的新时代,其应用必将成为必然。