以下文章來源于智能空間機器人，作者havis.wang

SiC(碳化硅)功率器件正逐漸成為現代電力電子系統中的重要技術，其相較于傳統的硅(Si)器件，特別是在高功率、高效率和高頻率應用中的優勢日益顯現。Wolfspeed 等公司推出的 SiC 功率模塊正在推動電力電子領域的技術進步，尤其是在減小開關損耗、提高系統效率、降低 EMI 和減少組件體積等方面。下面是一些關鍵的特點和優勢：

1. SiC 功率模塊的開關性能

SiC MOSFET（功率金屬氧化物半導體場效應晶體管）具有比硅 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）更快的開關速度，這帶來了顯著的優勢：

降低開關損耗：SiC 器件的開關損耗相較于傳統硅 IGBT 降低了 77%。這意味著，在同樣的操作條件下，SiC 器件能夠更高效地轉換電能，減少能量浪費，降低熱損耗，提高整體系統的效率。

提高動態性能：SiC MOSFET 的高頻開關特性使得動態響應更加靈敏，能夠支持更快的開關頻率，從而優化了系統的效率和性能。

減少 EMI 濾波器體積：由于開關頻率更高，系統中的 EMI（電磁干擾）信號通常能夠更容易地被過濾掉。這意味著系統可以減小或簡化濾波器設計，降低系統的體積和成本。

2. 與其他 SiC 器件的對比

Wolfspeed 的新型 SiC 模塊不僅開關損耗低，而且在電壓余量上也表現出色：

更高的電壓余量：與其他同類的 SiC 功率器件相比，Wolfspeed 模塊的電壓余量高出 15%，意味著它們可以在更高的電壓下穩定工作，提升了系統的可靠性。

改善溫度穩定性：SiC 器件的溫度穩定性優于硅 IGBT，能夠在更高的溫度下穩定運行，適應極端環境條件，減少熱失效風險。

3. 減少無源元件的數量

由于 SiC MOSFET 的更快開關速度，它們能夠減少系統中電容器、電感器和其他無源元件的數量。系統的無源器件數量減少意味著：

體積減小：由于不再需要那么多的無源元件，系統的體積變得更加緊湊。

成本降低：減少了不必要的組件，不僅有助于降低成本，還有助于提高系統的集成度。

4. 新型模塊設計

Wolfspeed 新推出的 WolfPack 系列 SiC 功率模塊具有以下特點：

半橋、六橋、全橋配置：這些配置可以滿足不同類型電源的需求，具有更高的靈活性，適用于多種應用場景。

預涂熱界面材料：該模塊配有預涂熱界面材料，簡化了散熱設計，提高了熱管理效率，減少了組裝的復雜性。

去掉底板設計：與許多其他功率模塊不同，WolfPack 系列的模塊取消了底板。這不僅有助于減小體積和重量，還提高了熱管理效率和導熱性能。

5. 傳統電源模塊與 SiC 模塊的對比

在傳統的電源模塊中，通常會使用 直接銅鍵合（DBC） 基板，這是因為 DBC 基板具有非常高的導熱性，能夠處理大電流并提供良好的高壓隔離。然而，這種基板會占用較大的空間，并增加模塊的厚度和成本。而 SiC 功率模塊的設計通過去除底板和優化熱界面材料，進一步簡化了設計，提高了效率，并降低了制造成本。

6. 未來展望

SiC 功率模塊的快速開關和高電壓耐受能力使其在多個領域（如電動汽車、工業電源、可再生能源系統等）都具有廣闊的應用前景。隨著技術的進步和成本的逐步降低，SiC 預計將在未來成為高效能電力轉換系統的標準選擇。

總的來說，SiC 技術的引入使得電力電子設備能夠在更高效、更小型化和更可靠的基礎上運行，對于降低能耗、提高系統性能具有重要意義。

SiC 在功率電子中的應用及其優勢

SiC（碳化硅）技術正在徹底改變功率電子設備，尤其是在高功率、高電壓應用中，例如電力開關、逆變器和儲能系統。SiC的優勢包括更快的開關速度、更低的開關損耗、更高的熱穩定性和更強的耐輻射能力，使得其成為替代傳統硅材料（如IGBT）在一些應用中的理想選擇。以下是SiC在現代功率電子系統中的應用和優勢：

1. 功率FET模塊的基板與底板設計

在功率電子設備中，功率FET（場效應晶體管）通常會安裝到一個基板上，然后將基板焊接到一個底板上。底板的作用是確保與散熱器的良好接觸，從而有效地傳導熱量，防止系統過熱，保證系統的效率和可靠性。

熱管理：底板幫助FET維持最佳工作溫度，防止因溫度過高而導致的效率損失或設備故障。散熱器通過與底板連接，帶走熱量，確保設備在高溫環境下也能穩定工作。

重載功率電子設備：在高功率應用中，多個基板通常會集中在一個大型底板上，以確保多個功率設備能夠有效散熱并可靠運行。這種做法廣泛應用于電動汽車、電力轉換器以及大規模可再生能源系統。

低到中功率系統：對于低功率模塊，通常只需要一個基板，因此底板的使用較少，冷卻需求較低。

2. SiC設備的耐久性與可靠性

SiC模塊相較于傳統的硅IGBT模塊具有顯著的耐久性和可靠性優勢。Wolfspeed的SiC設備在以下幾個方面表現出色：

FIT（失效時間率）改進：FIT率是衡量設備可靠性的指標，FIT率越低表示設備在使用過程中出現故障的概率越低。SiC模塊的FIT率比傳統硅模塊低，意味著它們在長期運行中更可靠。

抗輻射能力：SiC設備在宇宙輻射相關故障方面具有更高的抗性，尤其是在高電壓下（如2000V模塊）。這使得SiC特別適用于航空航天、國防以及其他高輻射環境的應用。

1500V DC持續運行：SiC模塊能夠在高電壓直流輸入下持續高效運行，如太陽能逆變器和儲能系統，這對于確保設備在嚴苛工作條件下長時間穩定運行至關重要。

3. SiC在兩級與三極逆變器之間的過渡

SiC的更快開關頻率和其他特性使其成為改進逆變器技術的關鍵，特別是在能源存儲系統中，SiC幫助實現了更加緊湊、高效和成本更低的逆變器設計。

EPC的M逆變器

EPC公司利用SiC的優勢，推出了第一款專為電池儲能系統優化的公用事業級串聯逆變器（M逆變器）。EPC公司表示，使用2300V的SiC功率器件大幅縮小了系統尺寸，減少了內部無源元件的數量。

簡化拓撲結構：通過SiC，EPC能夠采用兩級拓撲，這一設計比傳統的基于IGBT的三極逆變器更加簡單、低成本。兩級逆變器通過將功率開關以高頻率開啟和關閉，直接從直流電源（如大規模電池組）生成與電網或電力分配系統兼容的交流輸出。

模塊化設計：M逆變器不僅更小巧、成本更低，而且具有高度的模塊化。這意味著多個單元可以組合成定制化的中央式逆變器，輸出三相交流電壓，且安裝與維護更加便捷。

兩級逆變器的工作原理

一般來說，兩級逆變器由三個功率階段組成，每個功率階段包括一對并聯的功率FET和一個二極管，連接到大規模的電池組或其他直流電壓源和交流負載。在能源存儲系統中，兩級逆變器通過快速開啟和關閉功率開關，能夠以電網或其他電力分配系統所需的頻率和波形輸出交流電。

PWM控制：功率開關由MCU（微控制單元）或CPU控制，這些控制器輸出脈寬調制（PWM）信號來調節開關的開啟與關閉頻率，從而精確控制交流輸出。

結論

SiC技術通過提供更高的效率、更小的體積和更低的成本，正在推動現代功率電子系統的變革。尤其在高功率、高電壓應用（如太陽能逆變器、電動汽車充電系統和大規模電池儲能）中，SiC的優勢變得尤為顯著。SiC不僅能提高系統的可靠性和耐用性，還能使設備更加緊湊、模塊化，且易于安裝和維護。

二級與三級逆變器的對比：應用與效率優勢

二級逆變器

二級逆變器通常用于低功率應用，如家用電器和一些小型電力系統。其主要特點是采用簡單的兩級拓撲結構，通常包含兩對功率開關（如MOSFET或IGBT），用于實現正負電壓輸出。

輸出波形：二級逆變器的輸出波形只能在**正電壓（+Vdc）和負電壓（?Vdc）**之間切換，因此其輸出波形呈現“階梯狀”特征，伴隨較高的諧波失真。

開關頻率：為了達到較為平滑的輸出波形，二級逆變器需要較高的開關頻率，這會導致開關損耗的增加。

效率問題：由于波形中包含較多的諧波，二級逆變器的效率較低，特別是在需要處理較高功率的情況下。其較高的開關頻率和較多的諧波導致較大的能量損失。

三級逆變器（中性點鉗位，NPC拓撲）

三級逆變器，通常被稱為中性點鉗位（NPC）拓撲，常用于高功率系統，如電動汽車（EV）、工業電動機、太陽能和風能等可再生能源系統。這種拓撲結構通過三階段功率處理，每個階段包含四個功率開關。

輸出波形：三級逆變器能夠提供三個電壓水平：正電壓（+Vdc）、零電壓（0V）和負電壓（?Vdc）。這種額外的電壓級別使得輸出波形更加平滑，具有更低的諧波失真，從而提高了效率。

降低諧波失真：三級逆變器由于能夠輸出更接近正弦波的電壓，因此能有效減少諧波失真，提高輸出波形的質量。對于高功率系統，如工業電動機或電動汽車中的三相交流電動機，這種更平滑的波形帶來更高的效率。

系統效率提升：由于輸出波形更平滑，系統的開關頻率可以降低，這使得逆變器所需的電容器和磁性元件可以更小，進而降低了系統的成本和體積。

適用于大功率應用：與二級逆變器相比，三級逆變器能夠更高效地處理更大的功率，尤其是在電壓升高的情況下，如儲能系統和電動汽車的電池管理系統。

工作原理與設計優勢

三級逆變器的設計不僅在輸出波形上優于二級逆變器，還通過以下方式進一步提高了系統的效率和穩定性：

DC Link電容器：三級逆變器使用大容量的DC Link電容器來將直流電壓分成兩半。電容器的作用是平滑電壓，減少因IGBT或MOSFET開關而引起的電壓波動（即紋波）。這些電容器幫助平穩電力軌道上的直流電壓，為功率開關提供穩定的輸入電壓。

電壓“鉗制”：三級逆變器通過中性點鉗位的方式將電壓鉗制為直流總線電壓的一半，從而減少了每個功率開關所需承受的電壓。這樣可以使功率設備的額定電壓更低，從而減少開關損耗。

功率設備優化：在三級逆變器中，由于每個功率器件只需承受半個直流總線電壓，因此所使用的功率FET或IGBT可以采用更小的規格，這樣就能提高效率，降低開關損耗。而在二級逆變器中，每個功率開關必須承受整個直流電壓，這就要求使用更大尺寸的器件，并且由于更高的電壓，開關損耗也隨之增加。

SiC（碳化硅）對逆變器的影響

SiC技術作為一種新興的寬禁帶半導體材料，相較于傳統的硅材料具有顯著的優勢，特別是在高電壓、高頻率和高功率密度應用中。

更高的擊穿電壓：SiC MOSFET具有比硅器件更高的擊穿電壓，這使得它能夠在更小的體積中承受較高的電壓。

減少開關損耗：SiC的更高擊穿電壓意味著其能夠處理與硅相同的電壓但所需的體積更小，從而減少了開關損耗。這對于提升逆變器的效率至關重要，尤其是在需要快速開關的高頻應用中。

適用于高功率逆變器：SiC器件在三級逆變器中能夠有效降低開關損耗，從而提高系統的整體效率。這在大功率逆變器中，尤其是在電動汽車和可再生能源系統中，尤為重要。

總結

二級逆變器適用于低功率應用，結構簡單，成本較低，但其開關頻率較高，效率較低，特別是在處理較高功率時。

三級逆變器則適用于高功率應用，特別是需要高效處理較高電壓和功率的場合，如電動汽車、太陽能和風能等可再生能源系統。三級逆變器通過中性點鉗位技術減少諧波失真、提高效率，并且通過SiC等先進材料進一步提升開關性能和系統可靠性。

SiC技術在逆變器中的應用，尤其是三級逆變器中，可以顯著提高效率、減少開關損耗，并使系統在更高的電壓下運行，從而推動更大功率、高效率的電力電子系統的發展。

SiC技術正推動逆變器及其他功率電子設備在多個領域中的應用，尤其是在新能源、電動汽車和工業自動化等領域，帶來了顯著的性能提升。

SiC在功率電子中的顯著影響

三級逆變器的復雜性與成本

三級逆變器（NPC拓撲結構）盡管具有更高的效率，但其復雜性也相應增加。為實現額外的電壓級別，三級逆變器需要更多的功率開關和控制這些開關的驅動電路。這意味著更多的組件需要集成到系統中，從而增加了系統的成本和設計復雜性。

更多的功率開關：三級逆變器通常采用四個功率開關來處理每個“腿”中的正負電壓轉換，相比之下，二級逆變器只有兩個功率開關。這種復雜的結構需要更多的開關和更復雜的驅動電路。

驅動電路的復雜性：由于更多的開關組件，驅動電路的設計和控制更加復雜，增加了開發和生產的成本。

SiC模塊的優勢：簡化設計與降低成本

SiC技術的引入為三電平和兩電平拓撲之間架起了橋梁。EPC公司利用2,300-V SiC模塊的高電壓和更快的開關速度，簡化了系統設計，顯著降低了成本。

設計優化：傳統上，功率系統設計常使用總線條（busbars）來處理高電流和電壓。然而，SiC技術允許將設計從總線條轉換為更經濟的印刷電路板（PCB）。這種設計改進不僅簡化了電路布局，還減少了組件的數量，從而降低了整體系統成本。

減少驅動電路數量：使用SiC模塊，系統中所需的門極驅動器數量也減少，因為SiC器件的更快開關速度使得驅動控制變得更加簡便。這降低了控制復雜性并減少了故障點，從而提高了系統的可靠性。

系統級的成本節省

盡管SiC功率器件的價格普遍高于傳統的IGBT，但其在設計中的優化可以顯著降低系統級的成本。具體表現在以下幾個方面：

模塊集成度提高：SiC模塊的高效率和高電壓特性使得設計能夠縮減為較小尺寸的組件，減少了電路板的空間需求。

降低熱管理成本：SiC器件因其較小的尺寸和較低的開關損耗，在熱管理上具有優勢，意味著散熱解決方案可以更簡單，進而降低了相關的成本。

長壽命和更高的可靠性：SiC模塊的耐用性較高，尤其是在兩電平拓撲結構中，它減少了系統中的潛在故障點，從而提高了整體可靠性和使用壽命。

Wolfspeed模塊的特性

Wolfspeed的SiC模塊不僅在性能上有顯著優勢，還在系統級別提供了更多的可靠性：

更長的使用壽命：由于減少了故障點的數量，系統的可靠性和使用壽命得到了顯著提升。尤其是在長期運行的系統中，這種優勢尤為明顯。

適用于高電壓應用：Wolfspeed的模塊能夠承受1,500-V DC的持續工作電壓，且具有更高的抗輻射能力，相較于常規的2,000-V模塊，它能夠提供更強的耐用性，尤其適合用于要求長期穩定運行的應用場景。

SiC技術的市場前景

SiC材料的廣泛應用正在推動功率電子技術的發展，特別是在高功率和高效率應用中。隨著技術的進步和生產規模的擴大，SiC器件的成本預計會繼續下降，使其在更多領域中得到應用。例如，在電動汽車（EV）和可再生能源系統中的應用，SiC技術可以有效提升系統的效率并降低總成本。

總結

SiC的優勢：SiC技術提供了高效率、快速開關和更高的電壓承受能力，使得功率電子系統的設計更加簡化，系統成本得以降低，同時提高了可靠性和長壽命。

系統級優化：SiC模塊不僅能簡化電路設計，減少元件數量，還能通過減少熱管理需求、降低開關損耗等手段來降低成本，最終使系統更具成本效益。

未來前景：隨著SiC技術的發展，它將在更多高功率應用領域中發揮重要作用，尤其是在電動汽車、可再生能源和工業領域，推動功率電子設備向更高效率、更長壽命方向發展。

SiC功率電子設備的應用，將極大地推動現代功率轉換技術的發展，特別是在對效率和可靠性要求較高的場合，提供了更具競爭力的解決方案。