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[原创] 能效转换节节高,不一般的Qorvo SiC FET是怎样炼成的?在全...

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发表于 2023-9-4 09:50:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
在全球能源转型的背景下,光伏和储能市场在近几年迎来爆发式增长。根据SolarPower Europe的《2023-2027年全球光伏市场展望》报告,2022年全球新增光伏装机容量为239GW,同比增长45%;2023年预计新增光伏装机容量341GW,同比增长43%。


与传统能源发电相比,光伏发电具有间歇性、波动性和随机性的特点,通过配置储能以改善用电质量、维持电网稳定,已经成为行业共识。随着光伏发电的持续发展以及渗透率稳步提升,家用/商用光储一体化成为了光伏发电的一大主流方向。在elexcon 2023同期的新时代绿色能源储能技术大会上,Qorvo高级应用工程师周虎受邀出席会议,阐述Qorvo独特的SiC产品如何在光储一体化等热门应用中发挥高能效、高可靠性的优势。

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图1:Qorvo高级应用工程师周虎发表主题演讲

新型能源场景加速SiC大规模落地

周虎表示:“纵观全球市场,随着减碳目标和能源转型的推进,具有本地化储能的新型分布式可再生能源系统,或者说光伏一体化系统正在成为市场主流。这些应用场景对于户用/商用设备提出四大要求,分别是高能效、高容量与高功率、低系统成本以及长使用寿命。这些趋势推动了SiC成为光伏应用的优先选择。”

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图2:具有本地化储能的分布式可再生能源系统

在光储一体化系统中,光伏逆变器是光伏发电部分的核心设备,发挥着直流-交流转换、功率控制、并/离网切换等重要功能;DC/DC变换器则是电池储能部分的核心设备,负责连接高低压直流总线,具有双向的功率传输能力,也是关乎转换效率和功率密度的重要环节。

一般来说,这些应用会采用不同的半导体开关器件,例如大功率高压级通常采用IGBT,而下游功率级则采用硅MOSFET。不过,光伏发电为了实现更高的转换效率和能效,电路设计往往需要更快的开关频率和更高的输入电压条件,IGBT和Si Mosfet由于开关速度较慢,而且前者还存在拖尾电流,因此不适合越来越高频的应用场合,SiC逐渐在这一领域脱颖而出。

毫无疑问,SiC具备诸多优势,例如SiC器件的开关频率比IGBT和MOSFET都快,可以减少开关损耗、提高转换效率;SiC器件拥有更低的栅极电荷、导通阻抗、和反向恢复电流,以及对比硅十倍以上的耐压强度等。这些特性意味着SiC器件比硅等效器件,可以在更高的电压、频率切换,可靠性也更高。此外,SiC的导热系数是硅的三倍,能够更高效地传递热量,有助于降低结温。加上制造成本的逐步下降,SiC器件顺理成章成为了新一代光伏设备的“香饽饽”。

独特Cascode架构的Qorvo SiC FET

当然,同样是SiC器件,不同厂商也有不同的技术路线。Qorvo SiC FET采用的是独特的堆叠式共源共栅(Cascode)架构,通过常开(normally-on)SiC JFET与Si MOSFET共同封装,构建出具有标准栅极驱动特性的常关(normally-off)SiCFET器件。由于驱动电压覆盖到±20V的极宽范围,Qorvo SiC FET在大多数场景下可以直接替代已有的Si IGBT、Si MOSFET、SiC MOSFET,显著提高系统性能,涵盖目前的绝大部分应用范围,具有很强的适应性。

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图3:不同技术的SiC功率器件结构对比

目前,Qorvo SiC FET拥有在相同封装下的SiC device领域最低的RDS(on),这很大程度得益于Qorvo具有全球专利的JFET技术。

“SiC JFET跟传统的SiC MOSFET相比,没有栅极氧化层的结构,且D-S之间没有寄生输出电容。从芯片结构上来讲,相比传统的SiC Mosfet,Qorvo的SiC FET少了一个Channel resistance(沟道电阻)。这也意味着相同的芯片尺寸和封装,Qorvo的产品能够实现更低的导通阻抗。”Qorvo高级应用工程师周虎表示:“SiC生成氧化层一直是业界的难题,像SiC MOSFET一般采用离子注入法,但注入之后容易形成空泡,导致氧化层的附着度变低。附着度变低,也就意味着可能存在剥落的风险。而一旦栅极氧化层发生剥落,轻则参数性能改变、重则整个SiC器件失效,这显然是无法接受的。Qorvo独特的JFET技术从根本上解决了这个问题。另外,根据光伏领域的客户反馈,使用Qorvo SiC FET比一般的SiC MOSFET提高了0.4%的系统效率,这是非常亮眼的表现。”

不仅如此,Qorvo SiC FET的高频开关性能也是属于业界一流水平。事实上,SiC MOSFET本身的开关频率已经比硅器件高,而Qorvo SiC FET的开关频率比一般的SiC MOSFET还要高,这样可以有效减小变压器的尺寸和减少母线滤波电容的容量,从而降低系统成本。Qorvo也进一步推出表面贴装封装(SMT)的SiC FET,通过自动化组装降**造成本,特别是在10-50kW的新型能源系统中,只有使用SiC FET才能满足SMT封装下的超低RDS(on)要求。

至此,为了满足新能源汽车、光伏发电、储能、轨道交通等领域的广泛需求,Qorvo推出了丰富的高耐压650V/750V/1200V/1700V和6种封装方式的SiC FET产品组合,且大多数已通过AEC-Q101车规级认证,客户可根据特定的热力工况和运行条件进行混合搭配。

周虎表示:“Qorvo在聚焦光伏储能领域之外,也在积极介入新能源汽车市场,同时不断扩大中国的工程师支持团队,帮助客户更好地将SiC FET技术结合到自身的实际应用,最终赋能双碳目标的实现。”
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