【導讀】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，狹義層面的軌交工具，以及廣義層面的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SiC（碳化硅）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，同時器件尺寸更小；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8：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9：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1200V CoolSiC? 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”。
來源：貿澤電子
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