【聚焦】SiC器件正在家电领域蓬勃发展

原创 微安 碳化硅芯观察 2022-02-09 19:52

众所周知，功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域。作为用电装备和系统中的核心，功率器件的作用是实现对电能的处理、转换和控制，管理着全球超过50%的电能资源，广泛用于智能电网、新能源汽车、轨道交通、可再生能源开发、工业电机、数据中心、家用电器、移动电子设备等多方面。

功率半导体的技术和材料创新都致力于提高能量转化效率（理想转化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比传统的 Si 基功率器件效率高、损耗小，基于碳化硅技术的解决方案能使系统效率更高，质量更轻，结构更紧凑。如今，顶着高科技光环的碳化硅技术已经进入以空调为代表的家电应用场景，助力家电产品升级。

 与空调行业碰撞出的“火花” 

碳化硅作为综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，目前已经在5G通信、PD快充、新能源汽车等新兴领域崭露头角。

同时，在家电行业，特别是空调领域，随着2020年新能效标准的实施，变频空调占据市场绝对主导地位，提高家电能效是家电技术重要的发展方向，第三代半导体碳化硅技术必然成为热点。

目前家电行业需要的碳化硅功率器件主要有两类，一类是碳化硅肖特基二极管，一类是碳化硅MOSFET。碳化硅肖特基二极管主要用于功率因数校正电路 PFC，碳化硅MOSFET则是用于电机驱动等。

据了解，为了进一步减小电抗体积，优化整体结构，提高系统的效率，变频空调PFC频率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的频率设计。由于普通的肖特基二极管电压最高250V，满足不了空调的高压要求，碳化硅肖特基二极管则可以满足这一需求。

那么，究竟碳化硅功率器件可以给空调带来哪些改变？

据英飞凌工业功率控制事业部大中华区市场总监陈子颖介绍，“变频空调需要一个整流电源和压缩机电机变频驱动器，整流电源使交流电变成直流电，为变频压缩机供电，变频驱动器通过IGBT等大功率开关管驱动压缩机中的电机，使工作的不同速度下，均实现高效率制冷或制热。

以前，整流电源用传统硅基快恢复二极管，会产生谐波，功率因数低，增加电网输电线路的损耗。为了降低线路的损耗，国家电网出台了有关谐波的要求。为了降低谐波，使得输入的电压和电流相位一样，空调企业在整流电源中应用功率因数校正控制器（PFC），可以大大提升输电效率。

为了进一步减小PFC电抗体积，优化整体结构，提高系统的效率，由于IGBT的技术进步，例如英飞凌的WR6系列逆导型IGBT推动着变频空调的PFC频率已由目前的40kHz，向70kHz甚至更高的频率设计，这时碳化硅肖特基二极管替代传统的硅基快恢复二极管优势更明显。

另一方面，整流电源通过应用碳化硅肖特基二极管提升输电效率，进而提升空调产品能效，如果驱动电机应用碳化硅MOSFET，空调的能效水平则可进一步提高。

目前，一些空调厂家已经开始选用碳化硅二极管，比普通硅快回复二极管具有更小的正向导通压降，更高的耐温及高温稳定性，PFC效率能提升0.7 ~ 1个百分点。由于碳化硅二极管反向恢复时间很短，减轻了加在IGBT上的漏电流，使IGBT温度降低约2℃～3℃，提升了系统整体性能和可靠性。

据了解，与相同功率等级的硅基MOSFET相比，碳化硅MOSFET的尺寸只有硅基MOSFET的1/10，导通电阻是后者的1/100。与硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET的总能量损耗可降低70%。

虽然优势突出，但是由于碳化硅器件成本高，导致其在各个行业的应用比例依然较小。Yole数据显示，2021年，第三代半导体基功率器件的市场占比只有约6%。其中，碳化硅功率器件占比5%左右，市场规模约为8.5亿美元。聚焦空调行业，业内人士透露，目前受成本所限，碳化硅肖特基二极管在空调市场的占比不高，约为5%，之后会逐步增多。

 碳化硅有望在白电领域持续深入 

事实上，2020年7月1日起实行新能效标准以来，空调对能效要求更高，进一步增加了碳化硅功率器件在空调上的应用机会。目前，国内主流空调厂商都有在布局碳化硅项目，合作需求有望进一步扩大。

虽然目前碳化硅功率器件在家电上的应用还局限于空调，但是空调将是家电行业“认识”碳化硅技术的一个“窗口”。

碳化硅在其他家电上的应用前景则会随着空调的应用而扩大。理论上，只要是需要用到PFC或者升压电路以及高压或者高功率电源的家电都可能用碳化硅二极管，比如TV、商用滚筒洗衣机、高端微波炉、高端电饭煲等，以及其他有大于500W的PFC拓扑结构电路设计的家电。

“事实上，家电行业不只是空调变频化，能效水平需要提升，洗衣机、冰箱等都在加速变频化，能效提升也是产品升级的重要指标。因此，碳化硅技术在家电行业的应用前景将非常广阔。”陈子颖强调。

不过，他也指出：“虽然碳化硅技术优势显著，但家电企业不能为了用碳化硅而用碳化硅。譬如，在功率因数校正电路中，只有IGBT开关损耗特性足够好的时候才需要用碳化硅肖特基二极管技术作为配套，这样才能充分发挥电路的优势，发挥IGBT的优势，发挥碳化硅的优势，进而更好地提高产品能效。

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