Wprowadzenie do węgliku krzemowego (SIC) i jego zalety zastosowania w hybrydowych falownikach

Na tle przejścia energetycznego i szybkiego rozwoju technologii elektroniki energetycznej hybrydowe falowniki, jako wydajne i elastyczne urządzenie do konwersji energii, są szeroko stosowane w dziedzinach, takich jak rozproszony dostęp do energii, systemy magazynowania energii i pojazdy elektryczne. Wprowadzenie urządzeń z węglika krzemu (SIC) przyniosło rewolucyjne zmiany w poprawie wydajności hybrydowych falowników. Ten artykuł zawiera szczegółowe wprowadzenie do cech urządzeń SIC i ich zalet w hybrydowych falownikach.

1. Charakterystyka i zalety urządzeń SIC

（1） Charakterystyka materiału

Krzemowa węglika (SIC) to szeroki materiał półprzewodnikowy z pasmem o wartości około 3,26 woltów elektronowych, znacznie wyższych niż 1,12 woltów elektronowych tradycyjnego krzemu (SI). Ta charakterystyka umożliwia stabilne urządzenia SIC w środowiskach wysokiej temperatury, wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości. Ponadto materiały SIC mają również następujące zalety:

Wysoka wytrzymałość pola elektrycznego: Wytrzymałość pola elektrycznego SIC wynosi około 10 razy większa niż krzem, około 3 mV/cm. Oznacza to, że przy tym samym napięciu urządzenia SIC mogą mieć cieńsze warstwy dryfu, zmniejszając w ten sposób opór.

• Wysoka przewodność cieplna: Przewodność cieplna SIC wynosi około trzykrotnie większą niż krzem, około 4,9 W/cm · K. Umożliwia to skuteczne rozpraszanie ciepła w warunkach wysokiej gęstości mocy.

• Wysoka prędkość dryfu nasycenia elektronów: Prędkość dryfu nasycenia elektronów SIC wynosi około 2 × 10 ⁷ cm/s, co czyni go znacznie korzystnym w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości.

Rycina 1: Porównanie właściwości materiału między SIC i SI

（2） Typ urządzenia

Wspólne urządzenia Power SIC obejmują:

SIC MOSFET (tranzystor pola półprzewodnika tlenku metalu): Przy niskiej oporności i szybkiej prędkości przełączania jest szeroko stosowany w konwersji mocy i jazdy silnikowej.

SIC SBD (dioda barierowa Schottky): Przy dolnym spadku napięcia do przodu i wyższym napięciu do tyłu, nadaje się do zastosowań o wysokiej częstotliwości i wysokiej temperaturze.

SIC JFET (tranzystor pola w polu): stosowany głównie do zastosowań o wysokiej częstotliwości i wysokiej mocy, z wysokim napięciem rozpadu i możliwości przełączania dużej prędkości.

SIC IGBT (izolowany tranzystor dwubiegunowy): Chociaż wciąż na etapie badań i rozwoju, jego potencjalna wysoka wydajność i wysoka gęstość energii sprawiają, że ma szerokie perspektywy w dziedzinach pojazdów elektrycznych i energii odnawialnej.

Rysunek 2: Główne urządzenia SIC

（3） Zalety aplikacji

Urządzenia SIC wykazują znaczące zalety w systemach elektroniki energetycznej:

• Wysoka wydajność: Urządzenia SIC mają niższe straty przewodzenia i przełączania podczas procesu przełączania oraz w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi, mają znaczące zalety wydajności konwersji mocy. Na przykład zastosowanie urządzeń SIC w systemie napędowym i stacji ładowania pojazdów elektrycznych może znacznie poprawić ogólną wydajność wykorzystania energii.

Stabilność w wysokiej temperaturze: Materiały SIC mogą nadal utrzymywać dobre właściwości elektryczne w wysokich temperaturach, z wysoką przewodnością cieplną, która może skutecznie rozproszyć ciepło w zastosowaniach o dużej mocy.

Charakterystyka wysokiej częstotliwości: Urządzenia SIC mogą działać na wyższych częstotliwościach i nadają się do zasilaczy przełączających o wysokiej częstotliwości i aplikacji RF. Wysoka częstotliwość nie tylko pomaga zmniejszyć rozmiar i wagę zasilacza, ale także poprawić ogólną wydajność systemu.

• Życzliwość środowiskowa: stabilność chemiczna i odporność na korozję materiałów SIC sprawiają, że osiągają one dobre wyniki w trudnych środowiskach i mniej podatne na utlenianie i zanieczyszczenie środowiska.

2. Zalety urządzeń SIC w hybrydowych falownikach

（1） Wysoka częstotliwość przełączania i utrata niskiej przełączania

Wysokie charakterystyka częstotliwości przełączania urządzeń SIC umożliwia hybrydowe falowniki stosowanie mniejszych elementów pasywnych, takich jak induktory i kondensatory, znacznie zmniejszając rozmiar i masę falownika i poprawiając gęstość mocy. Jednocześnie urządzenia SIC generują wyjątkowo niskie straty podczas procesu przełączania, co znacznie poprawia wydajność hybrydowych falowników podczas pracy o wysokiej częstotliwości, zmniejsza straty podczas konwersji energii i poprawia ogólną efektywność energetyczną systemu.

Rycina 3: W porównaniu z IGBT (u góry), SIC MOSFET (dolny) może zmniejszyć straty przełączania o ponad 70% przy częstotliwości przełączania 30 kHz. (Źródło obrazu: technologia mikrochip)

（2） Zdolność do pracy w wysokiej temperaturze i zalety rozpraszania ciepła

Urządzenia SIC mogą stabilnie działać w wyższych temperaturach, o znacznie szerszym zakresie temperatur roboczych niż tradycyjne urządzenia na bazie krzemowe. Umożliwia to stabilne działanie falownika hybrydowego w środowiskach o wysokiej temperaturze, zmniejszając poleganie na złożonych systemach chłodzenia. W niektórych kompaktowych i przestrzennych scenariuszach aplikacji, takich jak małe falowniki w wyposażeniu automatyzacji przemysłowej, korzystanie z urządzeń SIC może uprościć projekt rozpraszania ciepła, zmniejszyć koszty rozpraszania ciepła i poprawić niezawodność systemu.

（3） Wysokie napięcie wytrzymania i niezawodność systemu

Urządzenia SIC mają doskonałą tolerancję wysokiego napięcia i mogą działać bezpiecznie i stabilnie w środowiskach wysokiego napięcia. W hybrydowych falownikach oznacza to, że wyższe napięcia magistrali DC mogą być stosowane w celu zmniejszenia poziomów prądu, minimalizacji strat drutu i zmniejszenia interferencji elektromagnetycznej. Zdolność do wytrzymania wysokiego napięcia umożliwia również hybrydowe falowniki lepsze dostosowanie się do systemów zasilania o różnych poziomach napięcia, poprawę kompatybilności i elastyczności systemu.

Rycina 4: Porównanie wydajności wytrzymałości napięcia między urządzeniami SI i SIC

（4） Odpowiedź dynamiczna i lepsza wydajność kontroli

Charakterystyka szybkiego przełączania urządzeń SIC znacznie poprawiła dynamiczną szybkość reakcji hybrydowych falowników. W obliczu nagłych zmian obciążenia lub fluktuacji siatki falowniki mogą szybciej dostosować swoje wyjście, aby utrzymać stabilne działanie systemu zasilania. Szybka możliwość reakcji dynamicznej jest szczególnie ważna dla połączenia siatki energii rozproszonej, na przykład w systemach energii odnawialnej, takich jak energia słoneczna i energia wiatru, które mogą skutecznie zmniejszyć fluktuacje mocy spowodowane zmianami pogodowymi lub fluktuacji obciążenia i poprawić jakość mocy.

（5） Environmental Adaptability i rozszerzanie się aplikacji

Oporność w wysokiej temperaturze, oporność wysokiego ciśnienia i wysoka niezawodność urządzeń SIC sprawiają, że są bardziej dostosowani do trudnych środowisk. Po przyjęciu urządzeń SIC falowniki hybrydowe mogą stabilnie działać w szerszym zakresie temperatury, wilgotności i środowisk elektromagnetycznych, rozszerzając scenariusze aplikacji. Na przykład w środowiskach przemysłowych o wysokiej temperaturze i wilgotności lub w trudnych warunkach naturalnych, takich jak obszary odległe i mocy wiatrowe na morzu, hybrydowe falowniki wykorzystujące urządzenia SIC mogą lepiej zaspokoić potrzeby konwersji mocy w specjalnych środowiskach.

Rysunek 5: Hybrydowy falownik z wykorzystaniem technologii SIC

3. Podsumowanie

Urządzenia SIC przyniosły znaczące zalety poprawy wydajności hybrydowych falowników ze względu na ich doskonałe właściwości materiałowe, wysoką wydajność, stabilność w wysokiej temperaturze i charakterystykę o wysokiej częstotliwości. Od poprawy wydajności i zmniejszenia objętości po zwiększenie niezawodności i zdolności adaptacyjnej, urządzenia SIC kompleksowo poprawiły wydajność hybrydowych falowników. Dzięki ciągłemu postępowi technologii produkcji urządzeń SIC i stopniowej redukcji kosztów, jego perspektywy aplikacji w dziedzinie hybrydowych falowników będą jeszcze szersze, co ma promować dalszy rozwój technologii elektroniki energetycznej w wielu dziedzinach, takich jak nowa energia, pojazdy elektryczne i automatyzacja przemysłowa, zapewniając silne poparcie dla osiągnięcia wydajnej, niezawodnej i wykorzystywania energii. Hybrydowe falowniki SIC InventronCis seria SIC intensywnie wykorzystują urządzenia SIC, z doskonałym projektowaniem i niezawodnymi produktami obejmującymi zasilanie od 3 kW do 20 kW. Są idealnym wyborem do mieszkaniowych i małych przemysłowych i komercyjnych systemów magazynowania optycznych.