SiC IGBT在電力電子變壓器的發(fā)展

SiCSBD和MOS是目前最為常見的 SiC 基的器件，并且 SiC MOS 正在一些領(lǐng)域和IGBT爭搶份額。我們都知道，IGBT 結(jié)合了 MOS 和 BJT 的優(yōu)點，第三代寬禁帶半導體SiC 材料又具有優(yōu)于傳統(tǒng) Si 的特性，那么為什么見得最多的卻是 SiC MOS，SiC IGBT 在哪兒呢？

我們都知道，Si 基 IGBT 目前依舊處于霸主地位，而隨著第三代寬禁帶半導體材料 SiC 的發(fā)展，有關(guān) SiC 的器件陸續(xù)出現(xiàn)，并且嘗試著取代 IGBT 應(yīng)用到的相關(guān)行業(yè)。如新能源汽車，SiC 功率器件正在全力進入的領(lǐng)域，像特斯拉的 SiC MOS 并聯(lián)方案，以及各半導體廠家正在全力布局的汽車級 SiC MOS 模塊，根據(jù)前面我們提到的 SiC 材料的特性，更高功率、高頻率以及高功率密度的電控正在慢慢浮出水面。既然 SiC 在材料以及 IGBT 在器件的優(yōu)勢如此明顯，那么為什么沒有 SiC IGBT 出現(xiàn)？

首先，每個企業(yè)的生存考慮到的一個關(guān)鍵因素 -- 成本，就目前 SiC 功率器件而言，價格上并沒有太大的優(yōu)勢，可想而知 SiC IGBT 的價格在大多數(shù)應(yīng)用場合是多么的"毫無競爭力"。有些行業(yè)已經(jīng)不是技術(shù)為導向，而是成本為主要因素，更是用不到 SiC IGBT。就算"不差錢"的新能源汽車行業(yè)目前也僅僅覬覦 SiC MOS。所以，成本是目前 SiC IGBT“生存”的最為關(guān)鍵的因素！

那 SiC IGBT 未來最有可能先出現(xiàn)在哪兒呢？答案就是我們今天要聊到的 -- 電力電子變壓器 PET，也稱固態(tài)變壓器 SST 或者智能變壓器 ST。一般指通過電力電子技術(shù)和高頻變壓器的組合來實現(xiàn)具有傳統(tǒng)工頻交流變壓器功能但不限于此的新型電力電子設(shè)備。

PET 一般應(yīng)用于中高壓場合，電力機車牽引用的車載變流器；智能電網(wǎng) / 能源互聯(lián)網(wǎng)以及分布式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)等。優(yōu)點：兼容性好、可控性高以及良好的電能質(zhì)量。下圖是基于傳統(tǒng)工頻交流變壓器和電力電子變壓器的低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖,大家可以體會一下什么是 PET：

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目前，PET 依舊有如下的問題或者說是瓶頸：電能轉(zhuǎn)換效率低、功率密度低、造價高和可靠性差等。而瓶頸產(chǎn)生的主要因素是應(yīng)用其中的功率半導體器件的耐壓水平有限，導致 10kV 電壓需要采用多單元級聯(lián)的拓撲，從而導致了功率器件、儲能電容、電感等數(shù)量相當?shù)凝嫶蟆?/p>

可見，想要有所突破便需要更高耐壓、更低損耗的功率半導體器件誕生 --SiC IGBT!

由于 Si 基 IGBT 的電壓容量、頻率上限、允許工作溫度等，應(yīng)用的 PET 沒有再多的突破。而我們前面提到的第三代寬禁帶半導體 SiC 的優(yōu)點，擊穿電場特別強、禁帶寬度大、電子飽和漂移速度快、熱導率高等，使其能夠滿足更高頻率、更高耐壓、更高功率等場合，可以使得目前電力電子變壓器 PET 突破瓶頸，更上一層樓~

有人就會問，那為什么 SiC MOS 不行呢？這就和我們開篇提到的，除了材料優(yōu)勢，還要有器件優(yōu)勢！隨著阻斷電壓的升高和運行結(jié)溫的升高，最直觀的是 SiC MOS 的通態(tài)電阻也會大幅度增加，導致的損耗會很大，使得其并不適合以 10kV 以上電壓的設(shè)備。而 SiC IGBT 將會有優(yōu)越的通態(tài)特性，以及開關(guān)速度和良好的安全工作區(qū)域，在 10kV~25kV 的場合"大顯身手"。