碳化硅方案與硅方案成本比較

下面的文章打算反駁以下的常見說法：SiC功率元件的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅元件，但仍然過于昂貴。
在過去年10年中，CREE一直致力于碳化硅二極管市場，其間開發(fā)了五代產(chǎn)品。推出了600V、650V、1200V、1700V擊穿電壓：lf=1A-50A正向電流的范圍廣泛的各種封裝的二極管。同時(shí)，碳化硅二極管己成為PFC、電源單元、UPS、DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器等應(yīng)用公認(rèn)的器件。與傳統(tǒng)硅二極管相比，碳化硅二極管有恒定的溫度和非常小的Qrr，因此開關(guān)頻率可以大大增加，并且可以實(shí)現(xiàn)高性能增益。
由于在碳化硅二極管之間幾乎沒有任何差別這樣的事實(shí)，該技術(shù)己得到了充分的發(fā)展�？蛻舻年P(guān)鍵挑戰(zhàn)是不要讓自己被標(biāo)記欺騙，而是要仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)表，因?yàn)橛行┲圃焐淌窃趥�(gè)一比CREE等公司更低的工作點(diǎn)測量溫度和電流。選擇適應(yīng)客戶工作點(diǎn)的合適的二極管是非常重要的，不僅是一個(gè)成本因素的問題。   
在2011年11月，CREE公司推出了同行業(yè)中第一款碳化硅MOSFET (CMF20120D，1200V，80歐姆)。同時(shí)，160歐姆1200V器件(CMF10120D)采用了TO-247封裝。CMF20120D的價(jià)格大大高于一個(gè)分立式硅IGBT的價(jià)格。然而，在2013年2月發(fā)布的第二代80歐姆MOSFET (C2M0080120D)卻帶來了約50%的成本降低，這主要是由于減少了芯片尺寸的大小。第二代器件的另一大優(yōu)勢是減少了主要帶來開關(guān)損耗從而產(chǎn)生熱量的電容。同時(shí)，推出了一款1200V/25歐姆和1700V/40歐姆的器件。除了更優(yōu)惠
的價(jià)格和更小的開關(guān)損耗，另外柵極源極電壓的電壓范圍還增加到了-5V到-10V。因此，可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)關(guān)閉速度。圖1示出了第一代和第二代80歐姆CREE MOSFET的比較。 人們不一定在分立級(jí)別上比較晶體管的成本，但你必須仔細(xì)看看整個(gè)系統(tǒng)的成本。增加的頻率可能意味著顯著地降低了電感的大小。由于開關(guān)損耗少，散熱片的大小也可以大大減少，或可以完全省略散熱片。因此，我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，同時(shí)降低了整體系統(tǒng)成本。 在PCIM 2013上，CREE公司展出了“全碳化硅10KW交錯(cuò)式升壓逆變器”，評(píng)估了碳化硅和硅的性能、BOM和整體系統(tǒng)成本。
第一代和第二代80歐姆CREE MOSFET與最新代Si IGBT相比，碳化硅MOSFE可以由Ggs=15V/-2V驅(qū)動(dòng)。 然而，一個(gè)更好的性能是在Vgs=18V/-2V條件下實(shí)現(xiàn)的。為了提高效率的可比性，在Vgs=18V/-2V和15V/-2V條件下分別記錄了C2M0080120D和Si-IGBT以及C2M0080120D和CMF20120D的效率曲線。
外部柵極電阻RG=2歐姆，輸人和輸出電壓Vin=450VDC， Vout= 640VDC。CREE C4D10120D一直被用作反激二極管。
在Si-IGBT已經(jīng)被切換為20 kHz。CREE MOSFET的開關(guān)頻率為100 kHz。很明顯，在Vgs=18V/-2V和Vgs=15V/-2V條件下，C2M0080120D比Si-IGBT實(shí)現(xiàn)了更好的效率。 效率當(dāng)然是客戶應(yīng)用的個(gè)重要特征。由此造成的系統(tǒng)損耗和熱成像很重要，但是，更重要的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者。此外，通過熱成像儀記錄的熱成像可以在圖4a4c的圖像中看到。
此外，在相同轉(zhuǎn)換器中比較了競爭者的SiC-MOSFET。在6d圖像中可以看出結(jié)果。C2M0080120D比CWIF20120D冷了15℃，比競爭對(duì)手的SiC-MOSFET冷了近38'C。實(shí)際上CMF20120D溫度低了約13C。 現(xiàn)在比較BOM時(shí)，下列事實(shí)可以成立．雖然功率半導(dǎo)體的百分比只有硅基解決方案的5%，但最終整體成本較高。其中一個(gè)原因是由于較高的頻率可以減少電感，另一個(gè)原因是開關(guān)損耗相當(dāng)?shù)�，因此在SiC-MOSFET的情況下有更好的熱成像，從而有可能減少散熱器的大小和成本。如果開關(guān)頻率提高到f= 100 kHz，碳化硅基解決方案的BOM成本可以降低5%。顯著減少的整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量也必須考慮在內(nèi)。