【聚焦】SiC器件正在家電領域蓬勃發展
【聚焦】SiC器件正在家電領域蓬勃發展
原創 微安 碳化硅芯觀察 2022-02-09 19:52
眾所周知，功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一，廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域。作為用電裝備和系統中的核心，功率器件的作用是實現對電能的處理、轉換和控制，管理著全球超過50%的電能資源，廣泛用于智能電網、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發、工業電機、數據中心、家用電器、移動電子設備等多方面。
功率半導體的技術和材料創新都致力于提高能量轉化效率（理想轉化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比傳統的 Si 基功率器件效率高、損耗小，基于碳化硅技術的解決方案能使系統效率更高，質量更輕，結構更緊湊。如今，頂著高科技光環的碳化硅技術已經進入以空調為代表的家電應用場景，助力家電產品升級。
與空調行業碰撞出的“火花”
碳化硅作為綜合性能最好、商品化程度最高、技術最成熟的第三代半導體材料，目前已經在5G通信、PD快充、新能源汽車等新興領域嶄露頭角。
同時，在家電行業，特別是空調領域，隨著2020年新能效標準的實施，變頻空調占據市場絕對主導地位，提高家電能效是家電技術重要的發展方向，第三代半導體碳化硅技術必然成為熱點。
目前家電行業需要的碳化硅功率器件主要有兩類，一類是碳化硅肖特基二極管，一類是碳化硅MOSFET。碳化硅肖特基二極管主要用于功率因數校正電路 PFC，碳化硅MOSFET則是用于電機驅動等。
據了解，為了進一步減小電抗體積，優化整體結構，提高系統的效率，變頻空調PFC頻率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的頻率設計。由于普通的肖特基二極管電壓最高250V，滿足不了空調的高壓要求，碳化硅肖特基二極管則可以滿足這一需求。
那么，究竟碳化硅功率器件可以給空調帶來哪些改變？
據英飛凌工業功率控制事業部大中華區市場總監陳子穎介紹，“變頻空調需要一個整流電源和壓縮機電機變頻驅動器，整流電源使交流電變成直流電，為變頻壓縮機供電，變頻驅動器通過IGBT等大功率開關管驅動壓縮機中的電機，使工作的不同速度下，均實現高效率制冷或制熱。
以前，整流電源用傳統硅基快恢復二極管，會產生諧波，功率因數低，增加電網輸電線路的損耗。為了降低線路的損耗，國家電網出臺了有關諧波的要求。為了降低諧波，使得輸入的電壓和電流相位一樣，空調企業在整流電源中應用功率因數校正控制器（PFC），可以大大提升輸電效率。
為了進一步減小PFC電抗體積，優化整體結構，提高系統的效率，由于IGBT的技術進步，例如英飛凌的WR6系列逆導型IGBT推動著變頻空調的PFC頻率已由目前的40kHz，向70kHz甚至更高的頻率設計，這時碳化硅肖特基二極管替代傳統的硅基快恢復二極管優勢更明顯。
另一方面，整流電源通過應用碳化硅肖特基二極管提升輸電效率，進而提升空調產品能效，如果驅動電機應用碳化硅MOSFET，空調的能效水平則可進一步提高。
目前，一些空調廠家已經開始選用碳化硅二極管，比普通硅快回復二極管具有更小的正向導通壓降，更高的耐溫及高溫穩定性，PFC效率能提升0.7 ~ 1個百分點。由于碳化硅二極管反向恢復時間很短，減輕了加在IGBT上的漏電流，使IGBT溫度降低約2℃～3℃，提升了系統整體性能和可靠性。
據了解，與相同功率等級的硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，導通電阻是后者的1/100。與硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的總能量損耗可降低70%。
雖然優勢突出，但是由于碳化硅器件成本高，導致其在各個行業的應用比例依然較小。Yole數據顯示，2021年，第三代半導體基功率器件的市場占比只有約6%。其中，碳化硅功率器件占比5%左右，市場規模約為8.5億美元。聚焦空調行業，業內人士透露，目前受成本所限，碳化硅肖特基二極管在空調市場的占比不高，約為5%，之后會逐步增多。
碳化硅有望在白電領域持續深入
事實上，2020年7月1日起實行新能效標準以來，空調對能效要求更高，進一步增加了碳化硅功率器件在空調上的應用機會。目前，國內主流空調廠商都有在布局碳化硅項目，合作需求有望進一步擴大。
雖然目前碳化硅功率器件在家電上的應用還局限于空調，但是空調將是家電行業“認識”碳化硅技術的一個“窗口”。
碳化硅在其他家電上的應用前景則會隨著空調的應用而擴大。理論上，只要是需要用到PFC或者升壓電路以及高壓或者高功率電源的家電都可能用碳化硅二極管，比如TV、商用滾筒洗衣機、高端微波爐、高端電飯煲等，以及其他有大于500W的PFC拓撲結構電路設計的家電。
“事實上，家電行業不只是空調變頻化，能效水平需要提升，洗衣機、冰箱等都在加速變頻化，能效提升也是產品升級的重要指標。因此，碳化硅技術在家電行業的應用前景將非常廣闊。”陳子穎強調。
不過，他也指出：“雖然碳化硅技術優勢顯著，但家電企業不能為了用碳化硅而用碳化硅。譬如，在功率因數校正電路中，只有IGBT開關損耗特性足夠好的時候才需要用碳化硅肖特基二極管技術作為配套，這樣才能充分發揮電路的優勢，發揮IGBT的優勢，發揮碳化硅的優勢，進而更好地提高產品能效。
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