SiC助力轨道交通驶向“碳达峰”

作者：Doctor M

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，狭义层面是指轨交工具的“碳达峰”，广义层面则是指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碳化硅（SiC），与下文氮化镓（GaN）的形式统一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7：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8：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 1200VCoolSiC™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”。