技術再進化 SiC半導體2022年榮景可期

作者 : Majeed Ahmad,Planet Analog

從MOSFET到電源模組,再到參考設計,SiC元件的廣泛應用,證明了這種寬能隙技術在電動車和快充電動車基礎設施等應用中具備的優勢...

 800V驅動系統越來越得到車廠與零組件供應商的青睞,因為可以減輕電動車(EV)的重量並實現更快的充電,同時確保更長的行駛里程;而碳化矽(SiC)半導體元件因此水漲船高,被廣泛應用於電動車動力傳動系統(powertrain),以及其他將功率密度、能效和可靠性視為關鍵設計考量因素的應用中。

在電動車設計的各部位功能區塊中,SiC越來越受歡迎,包括牽引逆變器(traction inverters)、車載充電器(OBC)和DC/DC轉換器。在工業領域,SiC零組件則越來越多被應用於馬達驅動、可再生能源轉換器與儲存系統,還有電信與資料中心的電源供應器。

圖1:SiC的高頻性能讓電源系統可採用更小的被動元件。(圖片來源:ST)

圖1:SiC的高頻性能讓電源系統可採用更小的被動元件。(來源:ST)

著眼於SiC在電動車和工業市場的應用潛力,意法半導體(ST)推出了第三代STPOWER SiC MOSFET,同時宣稱其大多數衍生產品均已具備商用成熟度。ST車用與離散元件部門副總裁Edoardo Merli表示,該公司的目標是在2024年達到10億美元的SiC產品營收。

第三代SiC技術的出現意味著,標稱額定電壓從650V、750V直到1,200V的SiC元件已經問世,供設計工程師運用於更廣泛的領域,從普通的AC線路電壓,到高壓電動車電池和充電器。ST首批該類SiC元件包括工作電壓為750V的功率MOSFET,售價僅5美元。

超越SiC MOSFET

SiC MOSFET具有更高的額定電壓,可應用於功率模組和參考設計。例如Microchip與電源管理解決方案供應商Mersen合作,為電動車和儲能應用提供150kVA的三相SiC電源堆疊參考設計;該參考設計在單堆疊參考設計中整合了Microchip的SiC電源模組、數位閘極驅動器以及Mersen的匯流排、保險絲和電容器。

圖2:新推出的SiC功率堆疊號稱最多能將產品上市時間縮短六個月。(圖片來源:Microchip)

圖2:新推出的SiC功率堆疊號稱最多能將產品上市時間縮短六個月。(來源:Microchip)

該電源模組以一款1,200V SiC MOSFET為基礎,與AgileSwitch的數位閘極驅動器搭配,讓設計工程師能夠利用為應用預先設計的工具套件,快速開發高電壓系統。借助可配置的數位閘極驅動器,該參考設計允許工程師選擇從700V到1,200V之間的電壓,電流高達750A。

該款AgileSwitch的閘極驅動器由Microchip的智慧配置工具(ICT)提供支援,該工具可免費下載,提供一個允許使用者配置閘極驅動器參數的介面,例如閘極開關設定檔、系統關鍵監視器以及控制器介面設置。

圍繞SiC MOSFET構建的參考設計可提供16kW/l的功率密度,以及和高達130°C的接面溫度(Tj),峰值效率達98%,開關頻率則高達20kHz。Mersen全球戰略行銷副總裁Philippe Roussel表示,該參考設計將有助於優化任何一個逆變器拓撲架構;「SiC能夠將其主要規格擴展至更高的電壓、電流和開關頻率,以滿足運作點需求。」

從MOSFET到電源模組,再到參考設計,SiC元件的廣泛應用,證明了這種寬能隙技術在電動車和快充電動車基礎設施等應用中具備的優勢。此外,SiC所具有的節能潛力,也推進該技術在太陽能逆變器、儲能系統、馬達驅動和電源供應器等工業領域中的應用。

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年3月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Will 2022 be the year of silicon carbide semiconductors?,By Majeed Ahmad;Planet Analog為EE Times出版集團ASPENCORE旗下網站)

 

 

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