【導讀】當前
，全球主要國家和地區都已經宣布了“碳達峰”的時間表。在具體實現的過程中
，軌道交通將是一個重要領域。由於用能方式近乎100%為電能，且帶動大量基礎設施建設
，因此軌道交通的“碳達峰”雖然和工業的“碳達峰”路徑有差異，但總體實現時間將較為接近。在中國
，這個時間節點是2030年之前。

當然，“碳達峰”在每一個領域都有狹義和廣義的區分，比如在工業領域，一方麵是重點企業自身通過節能+綠電的方式實現“碳達峰”，lingyifangmianyexuyaoweiraozhongdianqiyedechanyelianshangxiayouquanmianshixiannenghaojiangdi。duiyuguidaojiaotongyeshiruci，xiayicengmiandeguijiaogongju，yijiguangyicengmiandesuoyoupeisongdiansheshiheqitajichujianshe
，yijishangxiayouchanyelianjunxuyaoshixian“碳達峰”。

本文我們將重點介紹第三代半導體中的SiC（碳化矽）如何助力軌道交通完成“碳達峰”目標，並為大家推薦貿澤電子在售的領先的SiC元器件精品。

SiC在軌道交通中的應用

SiC和氮化镓（GaN）等是第三代半導體的代表材料。通過下圖能夠看到，與第一二代半導體材料相比，SiC等第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿場強、更高的熱導率、更高的電子飽和漂移速率及更高的抗輻射能力，因此特別適合高壓
、高頻率場景

，幫助相關領域提效降耗。

圖1：半導體材料特性對比

（圖源：海通證券）

得益於SiC材料優異的電氣性能
，SiC功率器件成為半導體廠商布局的熱門賽道，從廠商屬性來看
，主要以IDM類型廠商為主。綜合而言，SiC功率器件主要分為兩大類，分別是SiC功率二極管和SiC功率晶體管。其中SiC功率二極管又會包括肖特基二極管和PiN二極管；SiC功率晶體管則主要是SiC MOSFET、SiC JFET、SiC IGBT和SiC晶閘管。從目前的產品發展情況來看，SiC肖特基二極管和SiC MOSFET的商業化水平最高。

更深入地看
，SiC肖特基二極管是當前速度最快的高壓肖特基二極管，在實際的開關應用中，SiC肖特基二極管反向恢複時間為零，可以大幅提升開關頻率，並且開關特性不受結溫的影響。SiC肖特基二極管能夠顯著降低開關損耗
，幫助打造更高功率密度的整體方案。此外，SiC肖特基二極管正向壓降（Vf）為溫度特性
，易於並聯。

作為傳統Si IGBT的潛力替代選項，SiC MOSFET同樣具有不勝枚舉的性能優勢，我們在此簡單列舉幾項。比如
，SiC的介電擊穿場強大約是Si的10倍，因而SiC MOSFET具有高耐壓和低壓降的特性
，在相同耐壓條件下
，SiC MOSFET比Si IGBT的導通損耗更低，同時器件尺寸更小；MOSFET原理上不產生尾電流，因而SiC MOSFET比Si IGBT有著更低的開關損耗
，能夠打造更高功率密度的係統方案，且能夠工作於更高頻的場景下；此外
，SiC MOSFET更利於方案廠商進行小型化和輕量化設計。

憑借著優異的產品特性
，SiC功率器件市場發展迅速。根據市場分析機構Omdia的統計數據，2019年全球SiC功率器件市場規模為8.9億美元
，受益於軌交、新能源汽車、光伏等下遊市場的需求量不斷提升，預計到2024年全球SiC功率器件市場規模將達26.6億美元
，年均複合增長率達到24.5%。

圖2：全球SiC功率器件市場規模預測

（圖源：中商產業研究院）

在軌道交通領域，牽引變流器
、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器
、電源充電機等環節均可用到SiC功率器件。比如在軌道交通的電力牽引係統中，牽引變流器是其中的核心器件，相較於機車大功率交流傳動係統過往使用IGBT，采用SiC功率器件替代後

，整體方案在高溫、高頻和低損耗等技術參數方麵得到顯著改善。並且，SiC功率器件可以在更高的頻率下切換，係統中的變壓器、電容、電感等無源器件的數量和體積明顯減小，改善了整體方案的體積和重量


，提升軌交機車的能效水平。

根據蘇州軌道交通官方的測試數據，蘇州軌交3號線0312號列車作為國內首個基於SiC變流技術的永磁直驅牽引係統項目
，相較於過往使用IGBT逆變器、三相交流異步電機、車控牽引係統，新一代牽引係統可實現牽引節能20%

，係統最大質量減小19%，對我國軌道交通的“碳達峰”進程，有巨大的借鑒和推動作用。

未來，中國以及全球的軌道交通的電氣係統將呈現高頻化、小型化、輕量化、集成化、大功率化
、高功率密度化的典型趨勢，憑借著器件本身和拓撲結構等方麵的優勢，SiC功率器件在軌道交通中的應用前景光明且廣闊。

當然，為了響應軌道交通
，以及新能源汽車、儲能
、光伏
、電網等下遊領域的發展趨勢，SiC功率器件也會持續得到優化。未來，SiC功率器件的發展趨勢將分為兩個層麵。在器件本身，SiC功率器件將繼續強化在高頻、高耐壓和高集成等方麵的優勢，提升器件在各行業中的滲透率；在產業層麵

，由於SiC器件的製造成本中，SiC襯底成本占比50%
，因而提高襯底生產速率及良率將是後續產業的重中之重。

隨著SiC功率器件的性能逐漸優化，產能繼續爬坡
，軌道交通、新能源汽車、儲能等下遊領域將廣泛受益，為各產業實現“雙碳目標”提速。作為知名的電子元器件分銷商，貿澤電子將持續為廣大工程師朋友帶來全麵的SiC功率器件組合
，以及先進的SiC功率器件新品。下麵
，就讓我們一起來看幾款來自製造商Infineon（英飛淩）的高性能的SiC功率器件方案。

英飛淩 CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET

我們在上麵提到，目前全球SiC功率器件的主要玩家基本都是IDM廠商。而在這些廠商當中，英飛淩的布局是較早的，該公司在2001年就已經推出首款SiC肖特基二極管，目前產品已經經過了多次的技術迭代。英飛淩在SiC和GaN這些新型寬禁帶功率電子器件領域已經有超過20年的技術積累
，並且提供廣泛的產品組合
，包括Si器件、SiC器件和GaN器件。

圖3：英飛淩寬禁帶功率電子器件布局

（圖源：英飛淩）

經過20多年的深厚積累，英飛淩擁有完整的SiC供應鏈
，提供滿足最高質量標準的豐富的SiC產品組合，從超低壓到高壓功率器件等不一而足，可以保證實現較長係統使用壽命並帶來高可靠性。

圖4：英飛淩 CoolSiC™ 各係列產品

（圖源：英飛淩）

和傳統Si器件相比
，SiC器件具有一係列的性能優勢
，上麵我們已經提到了相關優勢，此處不再贅述。我們要說的是，在SiC MOSFET方麵
，英飛淩 CoolSiC™ MOSFET技術為係統設計人員帶來高性能
、可靠性和易用性


，顯著改善了器件的反向恢複特性，給方案設計提供了新的靈活性
，以利用出色的效率和可靠性水平。

英飛淩CoolSiC™ MOSFET產品提供1,700V、1,200V和650V的產品選擇
，為軌道交通、光伏逆變器、電池充電
、儲能、電機驅動、UPS、輔助電源和SMPS等領域賦能。

在1,700V電壓等級上，英飛淩CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET采用新型碳化矽材料，優化用於反激式拓撲結構。我們以IMBF170R1K0M1XTMA1為例來展開說明，大家可以通過搜索此物料號在貿澤電子平台上快速找到這款器件。

圖5：IMBF170R1K0M1XTMA1

（圖源：貿澤電子）

IMBF170R1K0M1XTMA1具有12V/0V柵極-yuanjidianya，jianrongdaduoshufanjishikongzhiqi。gaiqijianzhenduifanjishituopujinxingleyouhua
，kezaigaoxiaolvshuipingxiashixianjiandandedanduanfanjishituopu，keyongyuzaizhongduodianyuanyingyongzhonglianjiedao600V至1,000V直流母線電壓的輔助電源。IMBF170R1K0M1XTMA1具有更高的工作頻率和極低的開關損耗，以及用於EMI優化的完全可控dV/dt，可用於實現高功率密度的方案設計。

通過采用TO-263-7高爬電距離封裝，IMBF170R1K0M1XTMA1可直接集成到PCB中(zhong)，自(zi)然(ran)對(dui)流(liu)冷(leng)卻(que)
，無(wu)需(xu)額(e)外(wai)的(de)散(san)熱(re)器(qi)，並(bing)且(qie)由(you)於(yu)延(yan)長(chang)了(le)封(feng)裝(zhuang)的(de)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)和(he)間(jian)隙(xi)距(ju)離(li)，減(jian)少(shao)了(le)隔(ge)離(li)工(gong)作(zuo)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)複(fu)雜(za)度(du)，提(ti)升(sheng)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)。

圖6：IMBF170R1K0M1XTMA1內部框圖

（圖源：英飛淩）

需要特別強調的是，為了確保提供適合各自應用的係統方案，英飛淩仍在繼續優化基於SiC產品的組合方案。鑒於使用隔離柵極輸出段可以更輕鬆處理超快開關功率晶體管（如CoolSiC™ MOSFET）
，英飛淩基於其無芯變壓器技術推出了匹配的電隔離EiceDRIVER™ 柵極驅動IC。英飛淩建議
，用該公司的EiceDRIVER™ 柵極驅動IC來補充英飛淩CoolSiC™ MOSFET，以充分利用SiC技術的優勢，提高效率

、節省空間並減輕重量
、減少零件數量和增強係統可靠性。

憑借這些出色的器件性能，IMBF170R1K0M1XTMA1以及英飛淩CoolSiC™ 1700V SiC溝槽式MOSFET解決方案不僅可以用於軌道交通相關領域，並且在電動汽車快速充電、儲能係統、工業電源和光伏逆變器等領域都有重要應用。

英飛淩 1200V CoolSiC™ 模塊

如上所述
，英飛淩CoolSiC解決方案不僅包含分立器件，還有SiC模塊。發展至今
，英飛淩已經生產銷售數百萬個混合模塊（快速矽基開關與CoolSiC™ 肖特基二極管的組合）
，進一步增強了該公司在SiC技術領域的市場地位。

我們以英飛淩CoolSiC™ MOSFET模塊展開，這些模塊采用不同的封裝和拓撲結構，提供從45mΩ到2mΩ RDS(on)的拓撲結構
，並支持根據不同的應用需求進行定製，以此提供不同的配置
，例如3電平、半橋、四組
、六組或作為升壓器
，幫助逆變器設計人員實現出色的效率和功率密度水平。

綜合而言，英飛淩1200V SiC MOSFET模塊提供非常高的柵極氧化物可靠性和先進的溝槽設計
，具有較高的效率和係統靈活性。在此
，我們為大家推薦該係列產品中的F3L11MR12W2M1B74BOMA1，大家也可以通過搜索此物料號在貿澤電子平台上快速了解這款模塊。

圖8：F3L11MR12W2M1B74BOMA1

（圖源：貿澤電子）

F3L11MR12W2M1B74BOMA1基於CoolSiC™ 溝槽MOSFET技術打造
，采用3級ANPC拓撲、近閾值電路（NTC）和PressFIT觸點技術
，擁有諸多優秀的產品特性，包括具有1,200V開關的完整1,500VDC能力
、高頻工作、大電流密度、低電感設計、低器件電容、與溫度無關的開關損耗
，以及較高的功率密度等等。

圖9：F3L11MR12W2M1B74BOMA1內部框圖

（圖源：英飛淩）

並且，通過F3L11MR12W2M1B74BOMA1的器件詳情頁能夠看到，英飛淩1200V CoolSiC™ 模塊提供最廣泛的Easy產品組合
，擁有多個產品規範，同時模塊間還可以並聯使用
，使得開發人員的逆變器設計自由度更高，優化開發周期時間和成本。

總結

目前，在中國市場，無論是上述提到的國內首個基於SiC變流技術的永磁直驅牽引係統項目——蘇州軌交3號線0312號列車，還是國內首台全碳化矽牽引逆變器地鐵列車——深圳地鐵1號線列車，SiC在軌道交通方麵的應用已經全麵展開，並已經成為項目中的核心亮點
，使得相關列車具有更輕的質量、更可靠的品質和更低的能耗。

隨著全球SiC產品技術和產業鏈的完善，未來軌道交通對於SiC的使用率會顯著提升，將全麵進入SiC時代，加快”碳達峰”的腳步。在此過程中，SiC分立器件以及SiC模塊是係統的基石，作為半導體和電子元器件業的全球分銷商，貿澤電子將持續為工程師朋友帶來全麵的SiC產品組合，助力包括軌道交通在內的更多行業，更快地實現自己的“雙碳目標”。

來源：貿澤電子

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

瑞薩電容式觸摸感應技術原理之自容式觸摸按鍵電極設計建議（3a）

【應用指南】新能源領域電感解決方案

硬核隔離，精準同步

TI功能安全柵極驅動診斷保護特性概述

純正弦波家用逆變器