SiC助力轨道交通驶向“碳达峰”
当前，全球主要国家和地区都已经宣布了“碳达峰”的时间表。在具体实现的过程中，轨道交通将是一个重要领域。由于用能方式近乎100%为电能，且带动大量基础设施建设，因此轨道交通的“碳达峰”虽然和工业的“碳达峰”路径有差异，但总体实现时间将较为接近。在中国，这个时间节点是2030年之前。
当然，“碳达峰”在每一个领域都有狭义和广义的区分，比如在工业领域，一方面是重点企业自身通过节能+绿电的方式实现“碳达峰”，另一方面也需要围绕重点企业的产业链上下游全面实现能耗降低。对于轨道交通也是如此，狭义层面的轨交工具，以及广义层面的所有配送电设施和其他基础建设，以及上下游产业链均需要实现“碳达峰”。
本文我们将重点介绍第三代半导体中的SiC（碳化硅）如何助力轨道交通完成“碳达峰”目标，并为大家推荐贸泽电子在售的领先的SiC元器件精品。
SiC在轨道交通中的应用
SiC和氮化镓（GaN）等是第三代半导体的代表材料。通过下图能够看到，与第一二代半导体材料相比，SiC等第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的热导率、更高的电子饱和漂移速率及更高的抗辐射能力，因此特别适合高压、高频率场景，帮助相关领域提效降耗。
图1：半导体材料特性对比（图源：海通证券）
得益于SiC材料优异的电气性能，SiC功率器件成为半导体厂商布局的热门赛道，从厂商属性来看，主要以IDM类型厂商为主。综合而言，SiC功率器件主要分为两大类，分别是SiC功率二极管和SiC功率晶体管。其中SiC功率二极管又会包括肖特基二极管和PiN二极管；SiC功率晶体管则主要是SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT和SiC晶闸管。从目前的产品发展情况来看，SiC肖特基二极管和SiC MOSFET的商业化水平最高。
更深入地看，SiC肖特基二极管是当前速度最快的高压肖特基二极管，在实际的开关应用中，SiC肖特基二极管反向恢复时间为零，可以大幅提升开关频率，并且开关特性不受结温的影响。SiC肖特基二极管能够显著降低开关损耗，帮助打造更高功率密度的整体方案。此外，SiC肖特基二极管正向压降（Vf）为温度特性，易于并联。
作为传统Si IGBT的潜力替代选项，SiC MOSFET同样具有不胜枚举的性能优势，我们在此简单列举几项。比如，SiC的介电击穿场强大约是Si的10倍，因而SiC MOSFET具有高耐压和低压降的特性，在相同耐压条件下，SiC MOSFET比Si IGBT的导通损耗更低，同时器件尺寸更小；MOSFET原理上不产生尾电流，因而SiC MOSFET比Si IGBT有着更低的开关损耗，能够打造更高功率密度的系统方案，且能够工作于更高频的场景下；此外，SiC MOSFET更利于方案厂商进行小型化和轻量化设计。
凭借着优异的产品特性，SiC功率器件市场发展迅速。根据市场分析机构Omdia的统计数据，2019年全球SiC功率器件市场规模为8.9亿美元，受益于轨交、新能源汽车、光伏等下游市场的需求量不断提升，预计到2024年全球SiC功率器件市场规模将达26.6亿美元，年均复合增长率达到24.5%。
图2：全球SiC功率器件市场规模预测（图源：中商产业研究院）
在轨道交通领域，牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等环节均可用到SiC功率器件。比如在轨道交通的电力牵引系统中，牵引变流器是其中的核心器件，相较于机车大功率交流传动系统过往使用IGBT，采用SiC功率器件替代后，整体方案在高温、高频和低损耗等技术参数方面得到显著改善。并且，SiC功率器件可以在更高的频率下切换，系统中的变压器、电容、电感等无源器件的数量和体积明显减小，改善了整体方案的体积和重量，提升轨交机车的能效水平。
根据苏州轨道交通官方的测试数据，苏州轨交3号线0312号列车作为国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目，相较于过往使用IGBT逆变器、三相交流异步电机、车控牵引系统，新一代牵引系统可实现牵引节能20%，系统最大质量减小19%，对我国轨道交通的“碳达峰”进程，有巨大的借鉴和推动作用。
未来，中国以及全球的轨道交通的电气系统将呈现高频化、小型化、轻量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趋势，凭借着器件本身和拓扑结构等方面的优势，SiC功率器件在轨道交通中的应用前景光明且广阔。
当然，为了响应轨道交通，以及新能源汽车、储能、光伏、电网等下游领域的发展趋势，SiC功率器件也会持续得到优化。未来，SiC功率器件的发展趋势将分为两个层面。在器件本身，SiC功率器件将继续强化在高频、高耐压和高集成等方面的优势，提升器件在各行业中的渗透率；在产业层面，由于SiC器件的制造成本中，SiC衬底成本占比50%，因而提高衬底生产速率及良率将是后续产业的重中之重。
随着SiC功率器件的性能逐渐优化，产能继续爬坡，轨道交通、新能源汽车、储能等下游领域将广泛受益，为各产业实现“双碳目标”提速。作为知名的电子元器件分销商，贸泽电子将持续为广大工程师朋友带来全面的SiC功率器件组合，以及先进的SiC功率器件新品。下面，就让我们一起来看几款来自制造商Infineon（英飞凌）的高性能的SiC功率器件方案。
英飞凌 CoolSiC™ 1700V SiC沟槽式MOSFET
我们在上面提到，目前全球SiC功率器件的主要玩家基本都是IDM厂商。而在这些厂商当中，英飞凌的布局是较早的，该公司在2001年就已经推出首款SiC肖特基二极管，目前产品已经经过了多次的技术迭代。英飞凌在SiC和GaN这些新型宽禁带功率电子器件领域已经有超过20年的技术积累，并且提供广泛的产品组合，包括Si器件、SiC器件和GaN器件。
图3：英飞凌宽禁带功率电子器件布局（图源：英飞凌）
经过20多年的深厚积累，英飞凌拥有完整的SiC供应链，提供满足最高质量标准的丰富的SiC产品组合，从超低压到高压功率器件等不一而足，可以保证实现较长系统使用寿命并带来高可靠性。
图4：英飞凌 CoolSiC™ 各系列产品（图源：英飞凌）
和传统Si器件相比，SiC器件具有一系列的性能优势，上面我们已经提到了相关优势，此处不再赘述。我们要说的是，在SiC MOSFET方面，英飞凌 CoolSiC™ MOSFET技术为系统设计人员带来高性能、可靠性和易用性，显著改善了器件的反向恢复特性，给方案设计提供了新的灵活性，以利用出色的效率和可靠性水平。
英飞凌CoolSiC™ MOSFET产品提供1,700V、1,200V和650V的产品选择，为轨道交通、光伏逆变器、电池充电、储能、电机驱动、UPS、辅助电源和SMPS等领域赋能。
在1,700V电压等级上，英飞凌CoolSiC™ 1700V SiC沟槽式MOSFET采用新型碳化硅材料，优化用于反激式拓扑结构。我们以IMBF170R1K0M1XTMA1为例来展开说明，大家可以通过搜索此物料号在贸泽电子平台上快速找到这款器件。
图5：IMBF170R1K0M1XTMA1（图源：贸泽电子）
IMBF170R1K0M1XTMA1具有12V/0V栅极-源极电压，兼容大多数反激式控制器。该器件针对反激式拓扑进行了优化，可在高效率水平下实现简单的单端反激式拓扑，可用于在众多电源应用中连接到600V至1,000V直流母线电压的辅助电源。IMBF170R1K0M1XTMA1具有更高的工作频率和极低的开关损耗，以及用于EMI优化的完全可控dV/dt，可用于实现高功率密度的方案设计。
通过采用TO-263-7高爬电距离封装，IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中，自然对流冷却，无需额外的散热器，并且由于延长了封装的爬电距离和间隙距离，减少了隔离工作，从而进一步降低系统复杂度，提升功率密度。
图6：IMBF170R1K0M1XTMA1内部框图（图源：英飞凌）
需要特别强调的是，为了确保提供适合各自应用的系统方案，英飞凌仍在继续优化基于SiC产品的组合方案。鉴于使用隔离栅极输出段可以更轻松处理超快开关功率晶体管（如CoolSiC™ MOSFET），英飞凌基于其无芯变压器技术推出了匹配的电隔离EiceDRIVER™ 栅极驱动IC。英飞凌建议，用该公司的EiceDRIVER™ 栅极驱动IC来补充英飞凌CoolSiC™ MOSFET，以充分利用SiC技术的优势，提高效率、节省空间并减轻重量、减少零件数量和增强系统可靠性。
凭借这些出色的器件性能，IMBF170R1K0M1XTMA1以及英飞凌CoolSiC™ 1700V SiC沟槽式MOSFET解决方案不仅可以用于轨道交通相关领域，并且在电动汽车快速充电、储能系统、工业电源和光伏逆变器等领域都有重要应用。
英飞凌 1200V CoolSiC™ 模块
如上所述，英飞凌CoolSiC解决方案不仅包含分立器件，还有SiC模块。发展至今，英飞凌已经生产销售数百万个混合模块（快速硅基开关与CoolSiC™ 肖特基二极管的组合），进一步增强了该公司在SiC技术领域的市场地位。
我们以英飞凌CoolSiC™ MOSFET模块展开，这些模块采用不同的封装和拓扑结构，提供从45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓扑结构，并支持根据不同的应用需求进行定制，以此提供不同的配置，例如3电平、半桥、四组、六组或作为升压器，帮助逆变器设计人员实现出色的效率和功率密度水平。
综合而言，英飞凌1200V SiC MOSFET模块提供非常高的栅极氧化物可靠性和先进的沟槽设计，具有较高的效率和系统灵活性。在此，我们为大家推荐该系列产品中的F3L11MR12W2M1B74BOMA1，大家也可以通过搜索此物料号在贸泽电子平台上快速了解这款模块。
图8：F3L11MR12W2M1B74BOMA1（图源：贸泽电子）
F3L11MR12W2M1B74BOMA1基于CoolSiC™ 沟槽MOSFET技术打造，采用3级ANPC拓扑、近阈值电路（NTC）和PressFIT触点技术，拥有诸多优秀的产品特性，包括具有1,200V开关的完整1,500VDC能力、高频工作、大电流密度、低电感设计、低器件电容、与温度无关的开关损耗，以及较高的功率密度等等。
图9：F3L11MR12W2M1B74BOMA1内部框图（图源：英飞凌）
并且，通过F3L11MR12W2M1B74BOMA1的器件详情页能够看到，英飞凌1200V CoolSiC™ 模块提供最广泛的Easy产品组合，拥有多个产品规范，同时模块间还可以并联使用，使得开发人员的逆变器设计自由度更高，优化开发周期时间和成本。
总结
目前，在中国市场，无论是上述提到的国内首个基于SiC变流技术的永磁直驱牵引系统项目——苏州轨交3号线0312号列车，还是国内首台全碳化硅牵引逆变器地铁列车——深圳地铁1号线列车，SiC在轨道交通方面的应用已经全面展开，并已经成为项目中的核心亮点，使得相关列车具有更轻的质量、更可靠的品质和更低的能耗。
随着全球SiC产品技术和产业链的完善，未来轨道交通对于SiC的使用率会显著提升，将全面进入SiC时代，加快”碳达峰”的脚步。在此过程中，SiC分立器件以及SiC模块是系统的基石，作为半导体和电子元器件业的全球分销商，贸泽电子将持续为工程师朋友带来全面的SiC产品组合，助力包括轨道交通在内的更多行业，更快地实现自己的“双碳目标”。
