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來源：貿澤電子 作者：Doctor M 當前，全球主要國家和地區都已經宣布了“碳達峰”的時間表。在具體實現的過程中，軌道交通將是一個重要領域。由于用能方式近乎100%為電能，且帶動大量基礎設施建設，因此軌道交通的“碳達峰”雖然和工業的“碳達峰”路徑有差異，但總體實現時間將較為接近。在中國，這個時間節點是2030年之前。 當然，“碳達峰”在每一個領域都有狹義和廣義的區分。比如在工業領域，一方面是重點企業自身通過節能+綠電的方式實現“碳達峰”；另一方面也需要圍繞重點企業的產業鏈上下游全面實現能耗降低。對于軌道交通也是如此，狹義層面是指軌交工具的“碳達峰”，廣義層面則是指所有配送電設施和其他基礎建設以及上下游產業鏈均需要實現“碳達峰”。 本文我們將重點介紹第三代半導體中的碳化硅（SiC），與下文氮化鎵（GaN）的形式統一如何助力軌道交通完成“碳達峰”目標，并為大家推薦貿澤電子在售的領先的SiC元器件精品。 SiC在軌道交通中的應用 SiC和氮化鎵（GaN）等是第三代半導體的代表材料。通過下圖能夠看到，與第一二代半導體材料相比，SiC等第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場強、更高的熱導率、更高的電子飽和漂移速率及更高的抗輻射能力，因此特別適合高壓、高頻率場景，幫助相關領域提效降耗。 
圖1：半導體材料特性對比（圖源：海通證券） 得益于SiC材料優異的電氣性能，SiC功率器件成為半導體廠商布局的熱門賽道，從廠商屬性來看，主要以IDM類型廠商為主。綜合而言，SiC功率器件主要分為兩大類，分別是SiC功率二極管和SiC功率晶體管。其中SiC功率二極管又會包括肖特基二極管和PiN二極管；SiC功率晶體管則主要是SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT和SiC晶閘管。從目前的產品發展情況來看，SiC肖特基二極管和SiC MOSFET的商業化水平最高。 更深入地看，SiC肖特基二極管是當前速度最快的高壓肖特基二極管，在實際的開關應用中，SiC肖特基二極管反向恢復時間為零，可以大幅提升開關頻率，并且開關特性不受結溫的影響。SiC肖特基二極管能夠顯著降低開關損耗，幫助打造更高功率密度的整體方案。此外，SiC肖特基二極管正向壓降（Vf）為溫度特性，易于并聯。 作為傳統Si IGBT的潛力替代選項，SiC MOSFET同樣具有不勝枚舉的性能優勢，我們在此簡單列舉幾項。比如，SiC的介電擊穿場強大約是Si的10倍，因而SiC MOSFET具有高耐壓和低壓降的特性，在相同耐壓條件下，SiC MOSFET比Si IGBT的導通損耗更低，同時器件尺寸更��；MOSFET原理上不產生尾電流，因而SiC MOSFET比Si IGBT有著更低的開關損耗，能夠打造更高功率密度的系統方案，且能夠工作于更高頻的場景下；此外，SiC MOSFET更利于方案廠商進行小型化和輕量化設計。 憑借著優異的產品特性，SiC功率器件市場發展迅速。根據市場分析機構Omdia的統計數據，2019年全球SiC功率器件市場規模為8.9億美元，受益于軌交、新能源汽車、光伏等下游市場的需求量不斷提升，預計到2024年全球SiC功率器件市場規模將達26.6億美元，年均復合增長率達到24.5%。
圖2：全球SiC功率器件市場規模預測 （圖源：中商產業研究院） 在軌道交通領域，牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機等環節均可用到SiC功率器件。比如在軌道交通的電力牽引系統中，牽引變流器是其中的核心器件，相較于機車大功率交流傳動系統過往使用IGBT，采用SiC功率器件替代后，整體方案在高溫、高頻和低損耗等技術參數方面得到顯著改善。并且，SiC功率器件可以在更高的頻率下切換，系統中的變壓器、電容、電感等無源器件的數量和體積明顯減小，改善了整體方案的體積和重量，提升軌交機車的能效水平。 根據蘇州軌道交通官方的測試數據，蘇州軌交3號線0312號列車作為國內首個基于SiC變流技術的永磁直驅牽引系統項目，相較于過往使用IGBT逆變器、三相交流異步電機、車控牽引系統，新一代牽引系統可實現牽引節能20%，系統最大質量減小19%，對我國軌道交通的“碳達峰”進程，有巨大的借鑒和推動作用。 未來，中國以及全球的軌道交通的電氣系統將呈現高頻化、小型化、輕量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趨勢，憑借著器件本身和拓撲結構等方面的優勢，SiC功率器件在軌道交通中的應用前景光明且廣闊。 當然，為了響應軌道交通，以及新能源汽車、儲能、光伏、電網等下游領域的發展趨勢，SiC功率器件也會持續得到優化。未來，SiC功率器件的發展趨勢將分為兩個層面。在器件本身，SiC功率器件將繼續強化在高頻、高耐壓和高集成等方面的優勢，提升器件在各行業中的滲透率；在產業層面，由于SiC器件的制造成本中，SiC襯底成本占比50%，因而提高襯底生產速率及良率將是后續產業的重中之重。 隨著SiC功率器件的性能逐漸優化，產能繼續爬坡，軌道交通、新能源汽車、儲能等下游領域將廣泛受益，為各產業實現“雙碳目標”提速。作為知名的電子元器件分銷商，貿澤電子將持續為廣大工程師朋友帶來全面的SiC功率器件組合，以及先進的SiC功率器件新品。下面，就讓我們一起來看幾款來自制造商Infineon（英飛凌）的高性能的SiC功率器件方案。 英飛凌 CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET 我們在上面提到，目前全球SiC功率器件的主要玩家基本都是IDM廠商。而在這些廠商當中，英飛凌的布局是較早的，該公司在2001年就已經推出首款SiC肖特基二極管，目前產品已經經過了多次的技術迭代。英飛凌在SiC和GaN這些新型寬禁帶功率電子器件領域已經有超過20年的技術積累，并且提供廣泛的產品組合，包括Si器件、SiC器件和GaN器件。
圖3：英飛凌寬禁帶功率電子器件布局 （圖源：英飛凌） 經過20多年的深厚積累，英飛凌擁有完整的SiC供應鏈，提供滿足最高質量標準的豐富的SiC產品組合，從超低壓到高壓功率器件等不一而足，可以保證實現較長系統使用壽命并帶來高可靠性。
圖4：英飛凌 CoolSiC™ 各系列產品 （圖源：英飛凌） 和傳統Si器件相比，SiC器件具有一系列的性能優勢，上面我們已經提到了相關優勢，此處不再贅述。我們要說的是，在SiC MOSFET方面，英飛凌 CoolSiC™ MOSFET技術為系統設計人員帶來高性能、可靠性和易用性，顯著改善了器件的反向恢復特性，給方案設計提供了新的靈活性，以利用出色的效率和可靠性水平。 英飛凌 CoolSiC™ MOSFET產品提供1,700V、1,200V和650V的產品選擇，為軌道交通、光伏逆變器、電池充電、儲能、電機驅動、UPS、輔助電源和SMPS等領域賦能。 在1,700V電壓等級上，英飛凌 CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET采用新型碳化硅材料，優化用于反激式拓撲結構。我們以IMBF170R1K0M1XTMA1為例來展開說明，大家可以通過搜索此物料號在貿澤電子平臺上快速找到這款器件。
圖5：IMBF170R1K0M1XTMA1 （圖源：貿澤電子） IMBF170R1K0M1XTMA1具有12V/0V柵極-源極電壓，兼容大多數反激式控制器。該器件針對反激式拓撲進行了優化，可在高效率水平下實現簡單的單端反激式拓撲，可用于在眾多電源應用中連接到600V至1,000V直流母線電壓的輔助電源。IMBF170R1K0M1XTMA1具有更高的工作頻率和極低的開關損耗，以及用于EMI優化的完全可控dV/dt，可用于實現高功率密度的方案設計。 通過采用TO-263-7高爬電距離封裝，IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中，自然對流冷卻，無需額外的散熱器，并且由于延長了封裝的爬電距離和間隙距離，減少了隔離工作，從而進一步降低系統復雜度，提升功率密度。
圖6：IMBF170R1K0M1XTMA1內部框圖 （圖源：英飛凌） 需要特別強調的是，為了確保提供適合各自應用的系統方案，英飛凌仍在繼續優化基于SiC產品的組合方案。鑒于使用隔離柵極輸出段可以更輕松處理超快開關功率晶體管（如CoolSiC™MOSFET），英飛凌基于其無芯變壓器技術推出了匹配的電隔離EiceDRIVER™柵極驅動IC。英飛凌建議，用該公司的EiceDRIVER™柵極驅動IC來補充英飛凌 CoolSiC™MOSFET，以充分利用SiC技術的優勢，提高效率、節省空間并減輕重量、減少零件數量和增強系統可靠性。 憑借這些出色的器件性能，IMBF170R1K0M1XTMA1以及英飛凌 CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET解決方案不僅可以用于軌道交通相關領域，并且在電動汽車快速充電、儲能系統、工業電源和光伏逆變器等領域都有重要應用。 英飛凌 1200V CoolSiC™ 模塊 如上所述，英飛凌 CoolSiC解決方案不僅包含分立器件，還有SiC模塊。發展至今，英飛凌已經生產銷售數百萬個混合模塊（快速硅基開關與CoolSiC™ 肖特基二極管的組合），進一步增強了該公司在SiC技術領域的市場地位。 我們以英飛凌 CoolSiC™ MOSFET模塊展開，這些模塊采用不同的封裝和拓撲結構，提供從45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓撲結構，并支持根據不同的應用需求進行定制，以此提供不同的配置，例如3電平、半橋、四組、六組或作為升壓器，幫助逆變器設計人員實現出色的效率和功率密度水平。 綜合而言，英飛凌 1200V SiC MOSFET模塊提供非常高的柵極氧化物可靠性和先進的溝槽設計，具有較高的效率和系統靈活性。在此，我們為大家推薦該系列產品中的F3L11MR12W2M1B74BOMA1，大家也可以通過搜索此物料號在貿澤電子平臺上快速了解這款模塊。
圖7：F3L11MR12W2M1B74BOMA1 （圖源：貿澤電子） F3L11MR12W2M1B74BOMA1基于CoolSiC™ 溝槽MOSFET技術打造，采用3級ANPC拓撲、近閾值電路（NTC）和PressFIT觸點技術，擁有諸多優秀的產品特性，包括具有1,200V開關的完整1,500VDC能力、高頻工作、大電流密度、低電感設計、低器件電容、與溫度無關的開關損耗，以及較高的功率密度等等。
圖8：F3L11MR12W2M1B74BOMA1內部框圖 （圖源：英飛凌） 并且，通過F3L11MR12W2M1B74BOMA1的器件詳情頁能夠看到，英飛凌 1200VCoolSiC™模塊提供最廣泛的Easy產品組合，擁有多個產品規范，同時模塊間還可以并聯使用，使得開發人員的逆變器設計自由度更高，優化開發周期時間和成本。 總結 目前，在中國市場，無論是上述提到的國內首個基于SiC變流技術的永磁直驅牽引系統項目——蘇州軌交3號線0312號列車，還是國內首臺全碳化硅牽引逆變器地鐵列車——深圳地鐵1號線列車，SiC在軌道交通方面的應用已經全面展開，并已經成為項目中的核心亮點，使得相關列車具有更輕的質量、更可靠的品質和更低的能耗。 隨著全球SiC產品技術和產業鏈的完善，未來軌道交通對于SiC的使用率會顯著提升，將全面進入SiC時代，加快”碳達峰”的腳步。在此過程中，SiC分立器件以及SiC模塊是系統的基石，作為半導體和電子元器件業的全球分銷商，貿澤電子將持續為工程師朋友帶來全面的SiC產品組合，助力包括軌道交通在內的更多行業，更快地實現自己的“雙碳目標”。 相關技術資源 英飛凌 CoolSiC™ MOSFET和二極管，了解詳情 » 英飛凌 CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET，了解詳情 » 英飛凌 1200V CoolSiC™ 模塊，了解詳情 » |
