碳化硅MOSFET在新能源行业有怎样的应用和发展

1、碳化硅场效应管SiC-MOSFET

在碳化硅电力电子器件的研究中，SiC-MOSFET是最受关注的器件。在Si材料接近理论性能极限的今天，SiC功率器件由于具有耐压高、损耗低、效率高等特点，一直被视为理想器件而备受期待。不过，与以往的Si材料器件相比，SiC功率器件在性能和成本之间的平衡以及其对高技术的要求，将成为SiC功率器件能否真正普及的关键。

2、碳化硅MOS的结构

碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)的N+源区和P阱掺杂均采用离子注入掺杂，并在1700°C的温度下进行退火和激活。另一个关键工艺是碳化硅MOS栅氧化层的形成。由于碳化硅材料中同时含有Si和C原子，因此需要一种非常特殊的栅介质生长方法。SiC-MOSFET采用沟槽结构，以最大限度地发挥SiC的特性。

3、碳化硅MOS的优点

硅IGBT通常只能工作在20kHz以下的频率。由于材料的限制，高压和高频硅器件无法实现。碳化硅MOSFET不仅适用于600V至10kV的宽电压范围，而且具有单极器件的优良开关性能。与硅IGBT相比，当开关电路中没有电流拖尾时，碳化硅MOSFET具有更低的开关损耗和更高的工作频率。

一个20kHz的碳化硅MOSFET模块的损耗可以比一个3kHz的硅IGBT模块低一半，一个50A的碳化硅模块可以取代一个150A的硅模块。显示了碳化硅MOSFET在工作频率和效率方面的巨大优势。

碳化硅MOSFET寄生体二极管具有极小的反向恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr。对于相同额定电流为900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二极管的反向电荷仅为相同电压规格的硅基MOSFET的5%。对于桥式电路(尤其是当LLC转换器工作在谐振频率以上时)，这个指标是非常关键的。可以减小体二极管的死区时间和反向恢复带来的损耗和噪声，便于改进。开关工作频率。

4、碳化硅MOS管的应用

碳化硅MOSFET组件在光伏、风电、电动汽车、轨道交通等中、大功率电力系统应用中具有巨大优势。碳化硅器件的高电压、高频率、高效率的优势，可以突破现有电动汽车电机设计中器件性能的限制。这是目前国内外电动车电机领域的研发重点。例如，电装和丰田联合开发的混合动力汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)中的功率控制单元(PCU)采用碳化硅MOSFET模块，体积比降低到1/5。三菱公司开发的电动汽车电机驱动系统使用SiC MOSFET模块。功率驱动模块集成到电机中，实现了集成化、小型化的目标。以预计，碳化硅MOSFET模块在近几年内将在国内外电动汽车上得到广泛应用。

5、SIC碳化硅MOS管的研制

我国碳化硅MOS管的使用率还很低，处于叫好不叫座的尴尬局面。原因主要有以下几点。

价格偏高

许多工程师也认为，碳化硅MOS的价格是硅MOS的几倍。以100A/1200V(17毫欧内阻)为例，国外各大品牌在2023年初的单价普遍在300元以上。

发货周期太长

目前国外品牌的货源普遍非常紧张，部分品牌的订单周期甚至达到4—12个月。

驱动电路难以选择

驱动碳化硅MOS管时，由于需要负电压关断，驱动电流比较大，需要一个匹配的驱动电路工作。不过，目前市面上的驱动电路很少，单价也比较高。

如今，随着技术的不断发展，上述问题已一一得到解决。

高单价的问题：

目前，国内品牌已开始批量生产碳化硅MOS管产品，打破了国外品牌垄断。据估计，随着制造的国产化，碳化硅MOS将大大低于同等电流水平下的硅MOS和IGBT器件。SiC MOSFET价格将继续下跌。

供应周期问题：

国外碳化硅MOS管供应商基本上是接到订单后才安排生产的。此外，近年来电动汽车制造商的订单激增，导致其供货周期普遍较长。

然而，国内厂商进入碳化硅MOS管领域后，就彻底打破了这一模式。基本上，我是提前估计需求，自己准备大量的商品。一般情况下，客户一下订单，普通型号就可以提货。

驱动电路：

目前，国内许多客户使用分立元件构建驱动电路。大家都发现，这种电路不仅性能优良，而且元器件容易采购，成本也很低。

此外，使用KeepTops碳化硅MOS管还可以帮助您解决以下问题：

1、显著提高效率，降低系统温升。

典型应用：电动车控制器、风能、太阳能逆变电源等。

2、缩小电源的体积。

典型应用：手机快速充电，工业电源。

SiC MOSFET的发展现状指出，解决方案的主要商业障碍，包括价格，可靠性，耐用性和供应商的多样性。尽管价格高于硅IGBT，SiC MOSFET已经成功，由于成本抵消系统级的好处。着材料成本的下降，这一技术的市场份额在未来几年将显著增加。在过去的两年中，SiC MOSFET似乎终于准备好了广泛的商业成功，并在绿色能源运动中发挥重要作用。

审核编辑：汤梓红