目前，標準硅器件仍占電力電子市場的大部分。雖然許多公司正在開發新的電路拓撲以提高硅器件的效率，尤其是三電平拓撲，但新的碳化硅解決方案正在作為一種新的半導體元件出現，以應對不久的將來的高功率挑戰。在接受《電力電子新聞》采訪時，Adam Falcsik – 功率器件產品經理，Mike Rogers – 應用工程師，功率器件，Eric Motto – 功率器件總工程師，MEUS-SDD 和 Tony Sibik – 副總裁兼 GDM，功率器件，所有與三菱電機美國公司相比，都強調了碳化硅的重要性以及該技術與硅解決方案相比的機會。

將硅與碳化硅相結合的混合技術可以提高效率；特別是，帶有碳化硅肖特基勢壘二極管的硅 IGBT 以相對較小的成本增加實現了效率提高。因此，對于許多應用程序，這可能是成本和性能之間的一個很好的折衷方案。在不改變拓撲結構的情況下，三菱電機指出，顯著提高效率的唯一方法是使用碳化硅。

碳化硅 (SiC)

碳化硅比硅貴得多。因此，重要的是要針對經濟性與節能或其他一些技術優勢保持同步的應用，以便碳化硅成本合理。

三菱電機一直專注于用于高功率設備的碳化硅，主要是因為它們是垂直設備，可以提供更高的功率。“氮化鎵是一種材料，我們在我們的 RF 團隊中擁有一些經驗。我們認為它在低功耗應用中肯定有非常有用的應用。但到目前為止，我們的功率器件開發主要集中在碳化硅上，主要是因為它更適合更高功率的應用。因此，我們擁有額定電流高達 1200 A 的設備模塊，并且我們在商業生產中的額定電壓高達 3.3 kV，”三菱說。?

SiC 的主要障礙之一是它通常被視為一項新技術。許多在高功率領域進行設計的工程師非常保守，因此在建立可靠的性能記錄之前會減慢采用速度。三菱電機表示，許多客戶仍處于“觀望”模式。“如果早期采用者成功使用這項技術，提供所需的好處，將會有更多的采用。我認為我們正在逐步度過那個階段。”

為了充分利用碳化硅，設計人員必須對其設計進行一些更改，從而對 PCB 進行重大更改。然后提供可靠的設計來處理特別高的工作頻率是至關重要的。??

汽車應用是一些受益于碳化硅技術的應用。它特別適用于主推進和車載充電器和電池充電站。三菱電機表示：“在電動汽車中，人們強烈希望減小電子設備的尺寸和重量。碳化硅通過縮小逆變器尺寸和提高效率來幫助實現這一目標，從而減少給定范圍所需的電池尺寸。”

公用事業規模的存儲解決方案是討論采用 SiC 時的另一個主題。這是一個不斷增長的行業，特別是考慮到向光伏等可再生能源的轉變，這些能源需要在沒有陽光照射的情況下通過儲能來提供電力。這需要一定的容量來存儲能量，因此需要更多的轉換器和逆變器。碳化硅是這些功率轉換級的絕佳候選者。??

隨著越來越多的替代能源，電力流動需要特別關注。這需要有源濾波和有源諧波校正。所有這些應用最終都涉及到功率半導體。

圖 1：三菱電機 3.3kV SiC 雙模塊，提供 325A 和 750A 額定值。

圖 2：帶有實時控制 (RTC) 的三菱電機 SiC，提供各種額定電流和電壓，請訪問我們的網站或聯系您當地的銷售代表。

智能電網、電動汽車和晶圓

風能和太陽能等基本可再生能源解決方案通常與儲能相結合，是該行業增長最快的領域之一，而寬帶隙 SiC 技術是這些解決方案的核心。可再生能源繼續在世界發電組合中占據主導地位。

碳化硅的介電強度是硅的 10 倍，因此可以構建在更高電壓下運行的設備并滿足充電基礎設施和智能電網領域的要求。在更高的開關頻率下工作仍然提供多種好處，在這個領域，碳化硅使其適用。更高的開關頻率允許設計人員減小磁鐵、作為濾波器一部分的電感器或變壓器本身的物理尺寸，當使用高頻時，它們可以更小。因此，這是 SiC 的關鍵方面。

三菱電機強調了硅 IGBT 通常具有相對較慢的開關速度。隨著阻塞電壓的升高，這種緩慢會變得更糟。因此，高壓范圍內的 IGBT，例如 3.3 kV，速度非常慢，并且具有高開關損耗。因此，它們只能用于低開關頻率。

“因此，碳化硅為 3.3 kV 和不久的 6.5 kV 設備提供了優勢。更重要的是，它們可以以比硅器件高得多的頻率進行開關。我們今天在機車中看到了這一點，例如地鐵應用。我們正在為該應用批量生產 3.3 kV 碳化硅器件。它們仍然是相當昂貴的設備，但它們不僅在逆變器中獲得的效率提高，而且在動力系統的其他組件中也使它們適用。”

由于較高的開關頻率而產生的低諧波可以顯著提高電機效率。這使得在高壓電源應用中采用碳化硅成為可能。三菱電機表示，高壓直流輸電將在不久的將來突破高壓硅器件的極限。這些應用使用碳化硅可能會更有效。而且，在這些應用中，我們所說的節能不是幾瓦，而是數千瓦，甚至數萬瓦。這樣就抵消了成本，證明了顯著的節能是合理的。

碳化硅器件，特別是在高壓下，是一個重要的技術關鍵；你有更快和更有效的切換。考慮到傳導損耗，最好的硅 IGBT 被限制在大約 1.2 伏的壓降，即使您在遠低于其額定電流的情況下工作。但是，碳化硅在低電流下幾乎沒有電壓降，具體取決于您使用的芯片面積。

三菱電機表示，路線圖上有幾代發展，實施優化和新結構以提高碳化硅性能。“另一方面，硅 IGBT 技術沒有太多需要改進的地方，我們對該技術進行了如此多的優化，以至于它與硅的物理極限相抗衡。現在，仍然有一些漸進式改進，特別是在可能的優化方面，但沒有像碳化硅那樣引人注目。” 三菱電機預計碳化硅在一段時間內仍將比硅貴。

他們瞄準的第一個應用程序是那些他們確定證明成本合理的效率數量的應用程序。“我們今天的戰略是瞄準受益最大的應用，認識到當今使用硅 IGBT 的任何應用都可以使用碳化硅 MOSFET 更高效；相當可信的是，在未來的某個時候，Si IGBT 將完全過時，但未來多遠仍不清楚”

在 SiC 領域，我們還發現肖特基二極管是一種具有優勢的元件。三菱電機生產 600 伏至 3.3 kV 的碳化硅肖特基二極管，用于需要大量電流的批量生產應用，例如牽引逆變器。還有一些需要二極管的 DC 到 DC 轉換器應用。因此，在 DC 到 DC 轉換器應用中，碳化硅對于功率因數校正非常有利。

目標是提供下一代 SiC 器件以優化性能價格比。由于 IGBT 的體積和競爭力，三菱電機指出，仍然需要優化成本，優化晶圓工藝階段以支持不斷增長的產量至關重要。最大的兩個障礙仍然是原始碳化硅晶片的時間和質量，它們的晶體結構仍然經常存在缺陷，從而對產量產生負面影響。特別是它直接轉化為設備的成本，而成本始終是采用任何新技術的關鍵驅動因素。

審核編輯 黃昊宇