【聚焦】SiC器件正在家電領(lǐng)域蓬勃發(fā)展
【聚焦】SiC器件正在家電領(lǐng)域蓬勃發(fā)展
原創(chuàng) 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(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域。作為用電裝備和系統(tǒng)中的核心，功率器件的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的處理、轉(zhuǎn)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(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、可再生能源開發(fā)、工業(yè)電機(jī)、數(shù)據(jù)中心、家用電器、移動(dòng)電子設(shè)備等多方面。
功率半導(dǎo)體的技術(shù)和材料創(chuàng)新都致力于提高能量轉(zhuǎn)化效率（理想轉(zhuǎn)化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比傳統(tǒng)的 Si 基功率器件效率高、損耗小，基于碳化硅技術(shù)的解決方案能使系統(tǒng)效率更高，質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊。如今，頂著高科技光環(huán)的碳化硅技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入以空調(diào)為代表的家電應(yīng)用場(chǎng)景，助力家電產(chǎn)品升級(jí)。
與空調(diào)行業(yè)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(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)在5G通信、PD快充、新能源汽車等新興領(lǐng)域嶄露頭角。
同時(shí)，在家電行業(yè)，特別是空調(diào)領(lǐng)域，隨著2020年新能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，變頻空調(diào)占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)主導(dǎo)地位，提高家電能效是家電技術(shù)重要的發(fā)展方向，第三代半導(dǎo)體碳化硅技術(shù)必然成為熱點(diǎn)。
目前家電行業(yè)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(shù)校正電路 PFC，碳化硅MOSFET則是用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。
據(jù)了解，為了進(jìn)一步減小電抗體積，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的效率，變頻空調(diào)PFC頻率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的頻率設(shè)計(jì)。由于普通的肖特基二極管電壓最高250V，滿足不了空調(diào)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(diào)帶來哪些改變？
據(jù)英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)陳子穎介紹，“變頻空調(diào)需要一個(gè)整流電源和壓縮機(jī)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)器，整流電源使交流電變成直流電，為變頻壓縮機(jī)供電，變頻驅(qū)動(dòng)器通過IGBT等大功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)中的電機(jī)，使工作的不同速度下，均實(shí)現(xiàn)高效率制冷或制熱。
以前，整流電源用傳統(tǒng)硅基快恢復(fù)二極管，會(huì)產(chǎn)生諧波，功率因數(shù)低，增加電網(wǎng)輸電線路的損耗。為了降低線路的損耗，國家電網(wǎng)出臺(tái)了有關(guān)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(diào)企業(yè)在整流電源中應(yīng)用功率因數(shù)校正控制器（PFC），可以大大提升輸電效率。
為了進(jìn)一步減小PFC電抗體積，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的效率，由于IGBT的技術(shù)進(jìn)步，例如英飛凌的WR6系列逆導(dǎo)型IGBT推動(dòng)著變頻空調(diào)的PFC頻率已由目前的40kHz，向70kHz甚至更高的頻率設(shè)計(jì)，這時(shí)碳化硅肖特基二極管替代傳統(tǒng)的硅基快恢復(fù)二極管優(yōu)勢(shì)更明顯。
另一方面，整流電源通過應(yīng)用碳化硅肖特基二極管提升輸電效率，進(jìn)而提升空調(diào)產(chǎn)品能效，如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用碳化硅MOSFET，空調(diào)的能效水平則可進(jìn)一步提高。
目前，一些空調(diào)廠家已經(jīng)開始選用碳化硅二極管，比普通硅快回復(fù)二極管具有更小的正向?qū)▔航担叩哪蜏丶案邷胤€(wěn)定性，PFC效率能提升0.7 ~ 1個(gè)百分點(diǎn)。由于碳化硅二極管反向恢復(fù)時(shí)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(tǒng)整體性能和可靠性。
據(jù)了解，與相同功率等級(jí)的硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，導(dǎo)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(yōu)勢(shì)突出，但是由于碳化硅器件成本高，導(dǎo)致其在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用比例依然較小。Yole數(shù)據(jù)顯示，2021年，第三代半導(dǎo)體基功率器件的市場(chǎng)占比只有約6%。其中，碳化硅功率器件占比5%左右，市場(chǎng)規(guī)模約為8.5億美元。聚焦空調(diào)行業(yè)，業(yè)內(nèi)人士透露，目前受成本所限，碳化硅肖特基二極管在空調(diào)市場(chǎng)的占比不高，約為5%，之后會(huì)逐步增多。
碳化硅有望在白電領(lǐng)域持續(xù)深入
事實(shí)上，2020年7月1日起實(shí)行新能效標(biāo)準(zhǔn)以來，空調(diào)對(duì)能效要求更高，進(jìn)一步增加了碳化硅功率器件在空調(diào)上的應(yīng)用機(jī)會(huì)。目前，國內(nèi)主流空調(diào)廠商都有在布局碳化硅項(xiàng)目，合作需求有望進(jìn)一步擴(kuò)大。
雖然目前碳化硅功率器件在家電上的應(yīng)用還局限于空調(diào)，但是空調(diào)將是家電行業(yè)“認(rèn)識(shí)”碳化硅技術(shù)的一個(gè)“窗口”。
碳化硅在其他家電上的應(yīng)用前景則會(huì)隨著空調(diào)的應(yīng)用而擴(kuò)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(jī)、高端微波爐、高端電飯煲等，以及其他有大于500W的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)的家電。
“事實(shí)上，家電行業(yè)不只是空調(diào)變頻化，能效水平需要提升，洗衣機(jī)、冰箱等都在加速變頻化，能效提升也是產(chǎn)品升級(jí)的重要指標(biāo)。因此，碳化硅技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景將非常廣闊。”陳子穎強(qiáng)調(diào)。
不過，他也指出：“雖然碳化硅技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，但家電企業(yè)不能為了用碳化硅而用碳化硅。譬如，在功率因數(shù)校正電路中，只有IGBT開關(guān)損耗特性足夠好的時(shí)候才需要用碳化硅肖特基二極管技術(shù)作為配套，這樣才能充分發(fā)揮電路的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮IGBT的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮碳化硅的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而更好地提高產(chǎn)品能效。
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