有助于車載和工業設備降低功耗！內置SiC二極管的IGBT

在現代社會，工廠的工業產品生產活動和廠房的運轉等都會消耗大量的能源。然而，近年來，全球眾多國家和地區加快了實現碳中和的進程，這就要求各行各業的企業付出超出以往任的努力來應對去碳化。

2021年末召開的“聯合國氣候變化框架公約第26次締約方大會（COP26）”達成了“努力將全球平均氣溫升幅限制在工業革命前水平的1.5℃以內”的決議文件（圖1）。決議文件將6年前《巴黎協定》中1.5℃的“努力目標”升級為“必達目標”，“我們國家很難從化石燃料轉向可再生能源，希望延緩實現目標”之類的借口不再適用。未來，各國政府應該會陸續出臺減少溫室氣體（GHG）排放的具體政策和法規。特別是目前排放大量二氧化碳的汽車和工廠的生產活動，很可能成為需要減排的主要目標。

將這種情況反映在具體行動中的表現是全球已經有很多國家和地區開始執行碳稅等“碳定價機制”，即將企業的二氧化碳排放量轉嫁到企業成本中的機制。根據世界銀行的數據，截至2021年4月10日，全球已經有46個國家和35個地區推行這種機制。特別是對于從事跨國業務的企業而言，已經進入了去碳化努力與公司產品的成本競爭力直接相關的時代。

用電力驅動的設備和設施劇增，

當務之急是提升效率

在去碳化的努力中，經常被提及的是以所謂的“EV轉型”為中心的汽車電動化、以及使用由可再生能源產生的電能。但是，僅靠這些還不足以實現1.5℃的目標，而且去碳化努力也不止這些。

根據《2021年全球可再生能源現狀報告》的記載，全球能源消耗總量的32%與汽車等發動機驅動的運輸設備有關，17%為家庭和工廠等使用的電能（圖2）。實際上，從百分比來看，可以說目前因電力消耗而產生的二氧化碳排放量占比較少。剩下的51%則是讓工廠運轉的渦輪機、熱處理等所用的鍋爐等設備，通過燃燒化石燃料來使用熱能的。這部分也是去碳化難度較大的部分。

圖2 全球能源消耗總量的17%為電能 資料來源：REN21，《Renewables 2021 Global Status Report (GSR)》

未來，全球的去碳化大致會按照如下戰略推進：首先，盡可能將能源消耗量大、燃燒化石燃料的相關運輸設備和利用熱能的領域轉為利用電能，并進行精細控制。該策略是將能源利用形態轉變為易于控制的電能。一般而言，比起一旦啟動就很難停止的發動機、渦輪機和鍋爐，用電能驅動的電機和加熱器更容易根據需求停止和運轉。除此之外，還會通過利用可再生能源發電、僅在必要時在最高效的條件下運行設備，來推動節電。也就是說，未來由電力驅動的設備、設施和工廠的數量將會急劇增加，這意味著希望以優異的功率轉換效率運行的電氣設備和機電設備的數量將急劇增加。

在電動車輛（xEV）、工業用電機驅動裝置、太陽能發電廠的功率調節器、乃至工業設備和各種工廠的控制設備等應用中，會配備有車載充電器、DC-DC轉換器等各種功率轉換系統。然而，在功率轉換過程中總是存在著功率損耗。比如DC-DC轉換器，其轉換效率通常在80～95％左右。即使單次功率轉換時的效率較低，發電廠產生的電力通過傳輸和分配，到使用之前會經歷幾次功率轉換，最終有約1/3變為熱量或電磁波而損耗掉。從這個損耗量要通過增設發電廠數量來補償的角度看，可以知道這個浪費有多么大。更大程度地減少損耗是推動去碳化的關鍵要點。

而且，重要的是，提高電能利用率的解決方案，不僅需要更加高效的相關產品，還需要能夠適用于更多應用。這是因為，即使是可以大幅提高效率的技術，如果引進該技術所需的成本過高，其應用范圍就會受到限制，從而無法全面降低功耗。

利用SiC器件降低損耗，

利用混合器件提供優質解決方案

降低功率轉換系統損耗的方法包括改進轉換電路的配置，以及采用工作時損耗低的功率器件。

近年來，IGBT等傳統的硅（Si）基功率器件已經開始逐漸被碳化硅（SiC）基的功率器件取代。與Si器件相比，SiC器件的導通電阻更低，在高溫、高頻、高電壓環境下的性能更出色。由于具備這些特點，SiC器件有望成為適用于多在嚴苛環境下使用的汽車和工業用功率轉換系統的下一代低損耗器件。

SiC器件在太陽能和風力發電設備中的DC-AC轉換器、電動汽車和混合動力汽車的車載充電器和功率轉換器、工業設備等的功率逆變器和電源、以及蓄電設備等中的應用正在不斷增加。在這種背景下，ROHM量產并供應650V/1200V耐壓的SiC肖特基勢壘二極管（SBD）、650V/750V/1200V/1700V耐壓的SiC MOSFET。

目前很多功率轉換系統使用的是硅基IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）或SJ-MOSFET（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，超級結金屬氧化物半導體場效應晶體管）作為開關器件。其中，IGBT具有生產成本低廉的優點，但當其用于電機和線圈等感性負載時，需要續流二極管才能工作。另外，IGBT通常存在關斷損耗問題。SJ-MOSFET具有關斷損耗低的優點，但其存在難以支持大功率的問題。而SiC MOSFET和SiC SBD組合使用，可以大幅提高功率轉換效率。但是，目前由于用來形成元件的襯底—SiC晶圓極其昂貴，因此現狀是其應用范圍受到限制。

要想積極推動去碳化，能夠適用于更廣泛的應用、并同時實現高效率和低成本的功率轉換系統解決方案是不可或缺的。針對這種需求，ROHM將適合降低成本的IGBT和能夠提高效率的SiC器件的優點結合起來，打造出突破性的解決方案“Hybrid IGBT”。該解決方案使用SiC SBD作為IGBT續流二極管，可以大幅降低導通損耗。通過改善半橋配置中續流側器件（Low side）的關斷特性，改善了開關側器件（High side）的導通損耗。此外，開關器件元件本身采用了比SiC MOSFET更便宜的IGBT，因此可以降低成本，從而支持更廣泛的應用。

ROHMHybrid IGBT的性能和優勢

IGBT的續流二極管需要選用適合IGBT特性的產品。只是用碳化硅基二極管取代現有的硅基二極管，效率改善效果并不能達到預期。ROHM的650V耐壓Hybrid IGBT“RGWxx65C系列”融合了IGBT和SiC SBD特性上的優點，并實現了一體化封裝。由于已經在元器件層面優化了需要進行精密電路設計的部分，因此用戶使用該系列產品可以輕松構建性價比高的功率轉換系統。

將RGWxx65C系列應用于車載充電器時，與以往的IGBT相比，損耗可降低67%；與SJ-MOSFET相比，損耗可降低24%（圖3）。在轉換效率方面，可以在更寬的工作頻率范圍確保97％以上的高效率，并且在100kHz的工作頻率下，效率可比IGBT高3％，而且，只需替換當前所用的配有IGBT的電路，即可實現這種效率提升效果。本系列產品還符合汽車電子產品可靠性標準“AEC-Q101”，即使在車載和工業設備等的嚴苛環境下也可以安心使用。找元器件現貨上唯樣商城

可以說ROHM的Hybrid IGBT是有助于更多汽車和工廠的去碳化、應用效果非常出色的器件。

審核編輯 黃宇