2022，碳化硅半导体元年？

800V 驱动系统越来越得到汽车制造商和供应商的青睐，因为它可以减轻电动汽车 (EV) 的重量，实现更快的充电，并确保更长的行驶里程。而碳化硅 (SiC) 半导体则因此被推向潮头，广泛用于电动汽车动力系统和其他将功率密度、能效和可靠性作为关键设计考量因素的应用当中。

在电动汽车设计构建块中，采用碳化硅越来越流行，这些构建块包括牵引逆变器、车载充电器 (OBC) 和 DC/DC 转换器等。而在工业领域，碳化硅组件则越来越多地被用于电机驱动、可再生能源转换器和存储系统，以及电信和数据中心电源系统。

图1：碳化硅的高频性能使电源系统可采用更小的无源元器件。(来源：意法半导体)

鉴于碳化硅在电动汽车和工业市场中的潜力，意法半导体近日推出了第三代STPOWER SiC MOSFET，同时宣称其大多数衍生产品均已具备商用成熟度。据意法半导体Automotive & Discrete Group部门副总裁Edoardo Merli称，该公司的碳化硅目标是，2024年收入达到10亿美元。

第三代碳化硅技术的出现意味着，标称额定电压从650V、750V直到1200V的碳化硅器件现在已经可用。设计工程师将能够在更广泛的应用中采用这种技术，从普通的交流线路电压，到高压电动汽车电池和充电器。其中，SCT040H65G3A作为首批SiC器件之一，是一款工作电压为750V的功率MOSFET，售价仅为5美元。

超越SiC MOSFET

SiC MOSFET具有更高的额定电压，可应用于功率模块和参考设计。例如，美国微芯科技公司(Microchip)将与电源管理解决方案提供商Mersen公司合作，为电动汽车和储能应用提供150千伏安(kVA)的三相SiC电源堆栈参考设计。该参考设计在单堆栈参考设计中集成了微芯的SiC电源模块、数字栅极驱动器以及Mersen的母线、熔断器和电容器。

图2：SiC功率栈可将上市时间缩短最高达六个月。(来源：微芯科技)

其电源模块采用1,200V MSCSM120AM042CD3AG SiC MOSFET，它与AgileSwitch 2ASC-12A1HP数字栅极驱动器一起工作，使设计工程师能够使用为应用预先设计的套件快速开发高电压系统。借助可配置的数字栅极驱动器，该参考设计允许工程师选择从700V到1,200V之间的电压，电流高达750A。

AgileSwitch 2ASC-12A1HP栅极驱动器由微芯科技的智能配置工具(ICT)提供支持，该工具可免费下载。ICT提供了一个用户界面，允许用户配置栅极驱动器参数，例如栅极开关配置文件、系统关键监视器以及控制器接口设置。

围绕SiC MOSFET构建的参考设计可提供16千瓦/升(kW/l)的功率密度和高达130°C的Tj，峰值效率达98%，开关频率则高达20kHz。Mersen全球战略营销副总裁Philippe Roussel声称，该参考设计将有助于优化任何一个逆变器拓扑架构。“碳化硅能够将其主要规格扩展至更高的电压、电流和开关频率，以满足工作点需求。”

从MOSFET到电源模块，再到参考设计，SiC器件的广泛应用，证明了这种宽带隙技术在电动汽车应用和快充电动汽车基础设施中所具备的能力。此外，碳化硅所具有的节能潜力也推动了其在太阳能逆变器、储能系统、电机驱动和电源等工业领域中的应用。

(参考原文：Will 2022 be the year of silicon carbide semiconductors? ）

本文为《电子工程专辑》2021年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订