碳化硅技术在家电领域的应用前景
文摘
2024-11-05 07:30
青海
截至2023年第二季度，国际市场上6英寸碳化硅（SiC）衬底的价格已经降至800美元以下，而国内的价格更是低于500美元。去年，该类型衬底的价格曾超过1000美元。随着更多生产能力的投入和8英寸衬底的逐步普及，未来碳化硅材料的价格还有进一步下调的空间。衬底在碳化硅产业链中占据47%的成本比例，随着上游价格的下降，下游器件厂商的成本也随之降低。瞻芯电子的COO陈俭表示，明年公司新一代产品的成本将进一步降低15%，这一变化的核心在于上游价格的下滑。目前，1.2kV以下的SiC器件的应用规模正在扩大，且成本持续下降。预计在未来5年内，SiC器件的成本将与同规格的IGBT器件基本持平。![]()
2. 提升能效比的需求
全球对能效比的要求日益严格，尤其是在热泵和空调领域。为了降低住宅、商业和工业供暖及制冷的环境影响，各国纷纷推出了新的能效标准。在美国，季节性能效比（SEER）成为衡量供暖和制冷系统效率的国家标准。自2023年起，美国北部地区新型住宅中央空调和空气源热泵系统要求的SEER等级不得低于14，而南部地区的要求则至少为15。在欧洲，类似的标准称为欧洲能效比（ESEER），要求新系统达到B级或以上的能效等级。中国的GB21455能效标准也要求新设计追求更高的能效等级，最低不得低于5级。传统的硅功率半导体器件在满足这些标准方面面临挑战，而碳化硅器件则提供了一种简单且经济高效的解决方案，能够在保证能效的同时，降低整体供暖和制冷系统的体积及噪音。 3. 碳化硅在空调中的集成方案
碳化硅分立器件可以轻松集成到现有的热泵和空调设计中，以实现显著的能效提升。热泵和空调的各个子系统，包括功率转换（PFC）和逆变器，都是为了为压缩机提供所需的电力和温度。通过将传统硅二极管替换为650V或1200V的碳化硅肖特基二极管，设计者可以在无需重新设计系统的情况下，轻松提高效率。这种简单的替换方法可以使系统效率提高0.5%或更多。与硅二极管相比，碳化硅肖特基二极管具有零反向恢复电荷（Qrr），提供了更好的反向恢复性能，显著优于硅整流器。 ![]()
4. 重新设计带来的显著优势
通过对功率转换器的重新设计，系统总损耗可以减少50%。例如，将PFC设计为半无桥或无桥tootem pole配置，可以进一步最大化碳化硅的性能优势。该设计在快速开关支路上使用两个SiC 650/750V MOSFET，在慢速开关支路上使用两个SiC 650/1200V二极管。这种设计可以使系统效率比基于硅的升压PFC提高1.5%。此外，使用全SiC MOSFET的全无桥PFC拓扑可以使系统效率提高1.9%。![]()
在11kW压缩机系统中，使用SiC的设计在16kHz的频率切换下，与传统硅解决方案相比，总损耗减少超过50%。硅MOSFET的反向恢复较大，限制了其在无桥PFC拓扑中的应用，而硅IGBT则因高开关损耗而需要较低的开关频率，增加了系统的成本。5. 逆变器的显著升级
逆变器由6个开关组成，用户可以通过替换所有现有的IGBT开关，轻松升级为全SiC解决方案。与典型的IGBT解决方案相比，碳化硅MOSFET在传导损耗方面表现优异。研究显示，1200V的Wolfspeed SiC MOSFET在30%负载下传导损耗减少50%，在半负载下减少30%。相比之下，SiC MOSFET的开关损耗也明显低于IGBT，关断过程中没有尾电流现象。![]()
这种超低开关损耗的特性，使得SiC MOSFET在整体开关损耗方面能减少高达85%。这一优势不仅有助于提升系统效率，还能显著降低设计和制造成本。6. 降低尺寸，节省成本
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除了提高能效，碳化硅还由于其优越的热性能，使得热泵和空调中的冷却设计更小、成本更低。对于一个以8kHz运行的25kW逆变器，使用Wolfspeed的六开关WolfPACK模块，散热器的整体尺寸减少了77%，效率提升了1.1%。这种设计的优势不仅体现在逆变器方面，与SiC驱动的tootem pole PFC结合后，可以观察到更高的组合效率。7. 结论
随着碳化硅产品价格的持续下降，应用场景正在不断扩展，从车规级和工业级市场向消费市场渗透。除了天岳先进，英飞凌、Wolfspeed、三菱电机、罗姆等SiC产业链相关厂商也在积极开发白色家电市场。未来，随着碳化硅材料的日渐普及，工程师们将充分发挥其性能特点，设计出能效更高的空调、电视机和微波炉等产品，从而推动碳化硅的应用市场不断壮大。👉 点击左下角“阅读原文”，即可直达原文！💖
