SiC功率器件的優勢和應用前景

隨著新能源汽車銷量暴漲的東風，采用碳化硅功率器件可助力新能源汽車提升加速度、降低系統成本、增加續航里程以及實現輕量化等。碳化硅的優越性能使其在更多尖端領域有著迫切的需求。隨著航天技術的快速發展，作為航天器的重要組成部分——供配電系統和二次電源的發展面臨兩方面的挑戰，一方面是小型化和輕量化，另一方面是大功率和超大功率航天器的需求。在超大功率方面，目前硅基功率器件的功率容量和工作頻率已不能滿足設計要求，限制了宇航電源技術的發展，因此SiC功率器件的替代應用已勢在必行。

SiC功率器件的優勢

開關電源的核心器件是作為功率開關管，目前電源的體積和重量主要受限于磁性器件和電容器的體積，而高頻化電源設計是有效減小磁性器件和電容器體積的唯一途徑，硅基IGBT器件一般只能工作在20 kHz以下，嚴重限制了磁性器件和電容器的小體積，因此超大功率電源的體積和重量將變得異常龐大，無法滿足航天器總體要求。同時超大功率二次電源產品都朝著高電壓趨勢發展，而硅基功率器件的電壓通常較低，也是限制宇航電源技術發展的主要因素。

SiC是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料，近幾年來得到越來越多的商業化應用，在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統應用上具有巨大的優勢。例如電動汽車使用SiC模塊，其體積減小到原來的1/5。以SiC為代表的寬禁帶半導體功率器件，具有更小的導通電阻、更快的開關速度和更高的阻斷電壓等優越特性，為電源技術提供了難得的發展機遇，采用寬禁帶半導體器件，可以實現更高的變換效率，更高的功率密度，更高的可靠性。

以SiC為代表的寬禁帶半導體功率器件，具有更小的導通電阻、更快的開關速度和更高的阻斷電壓等優越特性，為電源技術提供了難得的發展機遇，采用寬禁帶半導體器件，可以實現更高的變換效率，更高的功率密度，更高的可靠性。

1）禁帶寬：與 Si 相比，SiC 的禁帶更寬，大約是 Si 的 3 倍，使得其本身需要更大的本征激發能量，因此器件能夠在高溫下依然正常穩定工作，同時還具有抗輻照特性。

2）高擊穿場強：SiC 的擊穿場強約是Si 的一個數量級，因此能夠耐受更高的電壓，又因為器件的本身固有導通損耗與其兩端電壓成反比，即在相同的功率等級的情況下，電壓越高，損耗越小。因此可以得出結論，SiC 材料的導通損耗會大大減少。

3）高電子飽和漂移速度：SiC 的電子飽和漂移速度是 Si 的 2 倍，由此可知 SiC 器件的開關速度更快，從而使得功率變換器的工作頻率大大提高，同時，高工作頻率會讓變壓器、電感等磁性器件的體積更小，進而減小整個功率模塊的體積，最終提高了功率模塊的功率密度。

4）高熱導率：SiC 的熱導率是 Si 的 3倍以上，因此具有更加優良的散熱能力，從而減小散熱器體積，提高集成度。

5）高熔點：SiC 的熔點大約是 Si 的 2倍，從而使得 SiC 功率器件能夠在更高溫度下正常工作，SiC 功率器件的最高工作溫度甚至可以超過 200 ℃。

由此可以看出，SiC 材料器件能夠用于高壓、大功率場合，具有 Si 材料器件無可比擬的性能優勢，可以滿足宇航電源輕質量，小體積，高效率的需求。

SiC相比Si的巨大優勢

SiC功率器件在宇航電源領域的應用前景

1.電推進系統電源處理單元應用

目前，超大功率電推進技術已經成為深空探測等空間活動的必備關鍵技術，電推進系統的超大功率也就是意味著為電推進器提供電力支持的電源處理單元要能夠實現高壓大電流，SiC功率器件的出現使得超大功率PPU的實現不再成為幻想。

美國針對深空探測的超大功率電推進系統進行了適用于300 V高壓母線的PPU功率變換器設計，該功率變換器由兩個采用SiC功率器件的7.5 kW全橋變換器并聯構成，經測試效率可達98%。未來的超大功率電推進采用耐高壓的SiC功率器件進行PPU設計是必然發展趨勢，可以大大提高轉換效率，減小PPU體積。

電推進系統

2.電機驅動器

隨著航天器功率的增加，無刷直流電動機、高功率密度永磁同步電動機被廣泛用于太陽能電池陣列部署，天線部署以及動量輪控制。由于空間環境中存在靜電放電和宇宙射線，國際空間站使用的航天器母線的最高電壓為160 V，要增加功率需要增大電流，而大電流會增加散熱，增加熱控制的負擔則會大大降低航天器的有效負載能力。

當將SiC功率器件應用于航天電機驅動器時，由于與Si二極管相比具有較小的反向恢復電流，因此SiC二極管可以降低開關損耗。除此之外，從功耗的觀點出發，可以使用額定電流小的裝置來代替額定電流大的裝置。例如，將額定電流為200~400 A的Si IGBT模塊替換為電流為120 A的SiC模塊。

永磁同步電動機

3.高壓功率電子調節器

行波管功率放大器是衛星通信系統中非常重要的高功放器件，主要由大功率行波管和高壓電子功率調節器兩部分組成，其中供電的高壓電子功率調節器是行波管功率放大器的主要部分，最高電壓可達到8kV。

要用Si基器件來實現如此高的電壓輸出需要非常復雜的拓撲結構，而這需要很多數量的開關器件和額外的二極管來鉗位電壓。但是，當使用SiC功率器件時，可以簡化變換器設計，減小諧振單元的體積，同時提高效率。

衛星行波管功率放大器

碳化硅功率器件的成熟極大地促進了航空機載傳感器、執行機構和控制系統以及電源系統設計等層面的演進，具體體現在航空電子控制系統和電源系統從集中到分布式的轉變，以及執行機構從液壓或氣動到電機驅動的轉變這一航空電子系統的總體趨勢。其整體的耐高溫性能將能很好地滿足多電和全電飛機航空電子系統的設計需求。

SiC不僅在汽車、光儲充領域備受青睞，其在電動飛機領域也不斷獲得新突破，應用案例層出不窮。

案例：搭載碳化硅，空客電動飛機實現突破

6月20日，空客官網宣布，他們已與意法半導體簽署了一項電力電子研發合作協議，將共同研發飛機電氣化的顛覆性功率半導體?？湛?a target="_blank">公司與意法半導體達成合作協議，將共同開發SiC/GaN器件，應用場景包括動飛機的電機電控、DC-DC轉換器和無線充電等。

實際上，空客很早就開始了對SiC/GaN等半導體的研發和應用。早在2022年11月，空客的電動飛機就已經采用了碳化硅逆變器，并且接近商用。他們正在持續測試自己的電動飛行平臺FlightLab，其EBS 系統中搭載了SiC逆變器，并在H130機型上通過搭載小電池進行了測試。H130機型的飛行測試已經非常穩定，如果市場有利，空客將通過美國和歐洲航空監管機構FAA和EASA認證后投入運營。

2020年6月，霍尼韋爾發布了一種專為城市空中交通（UAM）和電動飛機設計的微蒸氣循環系統（MicroVCS）冷卻解決方案，其中搭載了碳化硅開關器件，相比其他傳統蒸汽循環系統，系統的重量減輕了35％，效率提高了20％。

航空業正經歷快速增長，未來空中交通量將以每年 5% 的速度增長。新的航空航天世界在用于電源和電機控制的 SiC 器件中也找到了新的電源解決方案。

碳化硅器件應用航空航天領域前景廣闊

由于碳化硅MOSFET產品具有高溫性能和高電壓能力，因此可以在航空航天電子系統中的高溫、高壓和高頻率環境下使用，SIC MOSFET產品在航空航天領域中的應用潛力巨大，在高溫發動機艙內，碳化硅MOS可以用于控制電動風扇和氣壓控制系統。

在航空航天領域，碳化硅MOSFET具有廣闊應用前景，可以提高系統的性能和可靠性，同時也可以滿足航空航天領域對高溫、高壓、高功率等特殊環境的要求。碳化硅MOS也可以用于航空電子設備中的DC-DC轉換器和開關等。雖然碳化硅在航空航天領域的應用仍處于初級階段，但隨著技術的不斷發展和成本降低，未來有望在這一領域得到更廣泛的應用。

來源：半導體功率生態圈

審核編輯：湯梓紅

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