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摘要

碳化硅MOSFET以其高開關(guān)速度、高溫工作能力和低導(dǎo)通電阻等優(yōu)勢，在電動汽車、太陽能逆變器等領(lǐng)域替代IGBT。盡管IGBT在成本和成熟度上仍有優(yōu)勢，但碳化硅MOSFET有望成為下一代主流功率器件。

隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，功率器件的選擇對于系統(tǒng)效率、可靠性和成本至關(guān)重要。在眾多功率器件中，碳化硅(SiC)MOSFET和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是兩種備受關(guān)注的技術(shù)。本文將詳細(xì)分析碳化硅MOSFET是否能夠取代IGBT，探討兩者的性能特點(diǎn)、應(yīng)用場景以及未來的發(fā)展趨勢。

一、SiC MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢

高開關(guān)速度：SiC材料的電子遷移率高于硅，使得SiC MOSFET的開關(guān)速度更快。這意味著在相同的頻率下，SiC MOSFET能夠更高效地切換電流，從而降低開關(guān)損耗。高頻工作還可以減小電源系統(tǒng)中電容、電感或變壓器的體積，降低電源成本，實(shí)現(xiàn)電源的小型化和美觀化。

高溫工作能力：SiC的熱導(dǎo)率高于硅，允許SiC MOSFET在更高的溫度下穩(wěn)定工作。這提高了系統(tǒng)的可靠性，并減少了散熱系統(tǒng)的需求。

低導(dǎo)通電阻：SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻較低，有助于降低導(dǎo)通損耗。在高壓器件中，漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻在器件總導(dǎo)通電阻中占比很大，而SiC MOSFET不需要很厚的漂移區(qū)厚度就可以實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而顯著降低漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻。

高電壓耐受性：SiC材料能夠承受更高的電壓，因此SiC MOSFET適用于高壓應(yīng)用。

二、SiC MOSFET在特定領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

電動汽車：在電動汽車的牽引逆變器中，SiC MOSFET因其高開關(guān)速度和低導(dǎo)通損耗而被廣泛應(yīng)用。這些特性有助于提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率，并延長電池續(xù)航里程。此外，SiC MOSFET還能減小逆變器的體積和重量，降低系統(tǒng)成本。

太陽能逆變器：在太陽能逆變器中，SiC MOSFET同樣因其高開關(guān)速度和低導(dǎo)通損耗而受到青睞。這些特性有助于提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率，并降低系統(tǒng)的熱管理需求。

逆變焊機(jī)：SiC MOSFET在逆變焊機(jī)中的應(yīng)用也日益廣泛。其高頻開關(guān)特性使得逆變焊機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更小尺寸的變壓器和濾波電感，降低了系統(tǒng)的成本和體積。同時，SiC MOSFET的高耐溫能力也減少了散熱器的設(shè)計要求，進(jìn)一步降低了設(shè)備體積和重量。

三、SiC MOSFET應(yīng)用示例 3.1車載充電器(OBC)/DC-DC SiC MOSFET為車載充電器帶來了哪些優(yōu)勢？

提高轉(zhuǎn)換效率

提高功率密度

電能雙向傳輸

800V耐高壓

車載充電器典型電路

3.2 車載HVAC
SiC MOSFET為車載HVAC帶來了哪些優(yōu)勢？

降低成本
降低散熱難度
提高開關(guān)頻率
提高可靠性
800V耐高壓

車載HVAC典型電路



3.3 光伏/儲能SiC MOSFET為光伏/儲能帶來了哪些優(yōu)勢？
降低成本提高轉(zhuǎn)換效率提高可靠性1000V耐高壓

四、IGBT的當(dāng)前地位與局限
IGBT是一種結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合型器件，具有高電壓耐受性、低導(dǎo)通壓降、適中的開關(guān)速度和良好的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)。然而，隨著應(yīng)用需求的不斷提高，IGBT在某些方面的局限性也日益凸顯。例如，在高頻應(yīng)用中，IGBT的開關(guān)速度相對較慢，導(dǎo)致開關(guān)損耗較大；在高溫環(huán)境中，IGBT的性能可能會受到一定影響。

五、SiC MOSFET替代IGBT的必然趨勢與面臨的挑戰(zhàn)
必然趨勢：隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，SiC MOSFET在性能和經(jīng)濟(jì)性方面逐漸優(yōu)于傳統(tǒng)的IGBT。特別是在電動汽車、太陽能逆變器和逆變焊機(jī)等高效率、高功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中，SiC MOSFET的應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯。因此，SiC MOSFET替代IGBT成為必然趨勢。
面臨的挑戰(zhàn)：盡管SiC MOSFET具有諸多優(yōu)勢，但其市場接受度仍受成本和供應(yīng)鏈穩(wěn)定性的影響。目前，SiC MOSFET的單顆元件成本相對較高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)，其成本有望逐漸降低。此外，SiC MOSFET的制造工藝和配套材料也需要不斷改進(jìn)和完善，以滿足更廣泛的應(yīng)用需求。

發(fā)布于 2025-01-15 17:35?IP 屬地廣東

審核編輯 黃宇