碳化硅與空調(diào)行業(yè)碰撞出的“火花” 

 

碳化硅作為綜合性能最好、商品化程度最高、技術(shù)最成熟的第三代半導(dǎo)體材料，目前已經(jīng)在5G通信、PD快充、新能源汽車等新興領(lǐng)域嶄露頭角。

 

在家電行業(yè)，特別是空調(diào)市場(chǎng)，隨著2020年新能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，變頻空調(diào)占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)主導(dǎo)地位，提高家電能效成為家電技術(shù)重要的發(fā)展方向，第三代半導(dǎo)體碳化硅制做的高溫、高頻、大功率、高壓器件技術(shù)成為熱點(diǎn)。

 

 

目前家電行業(yè)需要的碳化硅功率器件主要有兩類，一類是碳化硅肖特基二極管，一類是碳化硅MOSFET。碳化硅肖特基二極管主要用于功率因數(shù)校正電路 PFC，碳化硅MOSFET則是用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。

 

據(jù)了解，為了進(jìn)一步減小電抗體積，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的效率，變頻空調(diào)PFC頻率已由目前主流的40kHZ，向70kHZ、80kHZ甚至更高的頻率設(shè)計(jì)。由于普通的肖特基二極管電壓最高250V，滿足不了空調(diào)的高壓要求，碳化硅肖特基二極管則可以滿足這一需求。

 

據(jù)陳秋明介紹說：“空調(diào)是目前 Wolfspeed 在電子和電力行業(yè)主要耕耘且有一定應(yīng)用成果的領(lǐng)域。Wolfspeed 碳化硅（SiC）二極管已經(jīng)應(yīng)用于家用和商用空調(diào)行業(yè)，相比于傳統(tǒng)的快恢復(fù)二極管，Wolfspeed 碳化硅二極管擁有更好的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，在空調(diào)行業(yè)的需求正在持續(xù)擴(kuò)大。另外，在空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)上，目前已經(jīng)有客戶在使用 Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 替代原有的 IGBT 方案，以實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度。”

 

談到碳化硅技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)的優(yōu)勢(shì)，陳秋明以目前市場(chǎng)上的 3HP 空調(diào)為例進(jìn)行介紹。他告訴記者，目前 3HP 空調(diào)在 AC/DC 部分采用的是傳統(tǒng)的 PFC Boost 方案。由于碳化硅二極管的反向恢復(fù)幾乎為零且不受溫度影響，可以實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗、更高的效率、更低的尖峰電壓和振鈴時(shí)間。

 

其中，碳化硅技術(shù)更高的效率，可以減少空調(diào)散熱器的尺寸和熱管理的成本；更高的開關(guān)頻率，可以降低磁性元件的成本和尺寸，實(shí)現(xiàn)更高的功率密度；低電磁干擾則可以降低電磁干擾濾波器的成本和解決電磁干擾的研發(fā)成本。碳化硅的這些優(yōu)勢(shì)，最終幫助客戶實(shí)現(xiàn)更低的系統(tǒng)成本和更優(yōu)的系統(tǒng)性能。

得益于碳化硅技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，目前，碳化硅二極管在空調(diào)行業(yè)的需求正處于爬坡階段。“未來幾年，碳化硅產(chǎn)品在頭部空調(diào)制造商或者其 OEM 制造商的應(yīng)用滲透率會(huì)越來越高。Wolfspeed 碳化硅產(chǎn)品在空調(diào)行業(yè)也將隨之實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。”陳秋明非?？春锰蓟杓夹g(shù)在空調(diào)行業(yè)的應(yīng)用前景。

 

 國(guó)內(nèi)企業(yè)在家電領(lǐng)域進(jìn)展 

 

2019年3月，美的集團(tuán)曾宣布與三安光電全資子公司三安集成電路戰(zhàn)略合作，雙方將共同成立“第三代半導(dǎo)體聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，共同推動(dòng)第三代半導(dǎo)體功率器件的創(chuàng)新發(fā)展，加快國(guó)產(chǎn)芯片導(dǎo)入白色家電行業(yè)。

據(jù)了解，美的集團(tuán)一直在積極尋找第三代半導(dǎo)體在白電領(lǐng)域替代方案的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商，以及導(dǎo)入第三代半導(dǎo)體的新型應(yīng)用場(chǎng)景。美的集團(tuán)選擇與三安集成電路戰(zhàn)略合作，主要是看重三安集成電路在化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。未來雙方合作方向?qū)⒕劢乖贕aN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）半導(dǎo)體功率器件芯片與IPM（智能功率模塊）的應(yīng)用電路相關(guān)研發(fā)，并逐步導(dǎo)入白色家電領(lǐng)域。

 

據(jù)三安集成稱：已有空調(diào)廠家開始選用三安的碳化硅二極管，該產(chǎn)品比普通硅快回復(fù)二極管具有更小的正向?qū)▔航?，更高的耐溫及高溫穩(wěn)定性，PFC效率能提升0.7 ~ 1個(gè)百分點(diǎn)，由于碳化硅二極管反向恢復(fù)時(shí)間很短，減輕了加在IGBT上的漏電流，使IGBT溫度降低約2℃～3℃，提升了系統(tǒng)整體性能和可靠性。

無橋圖騰柱PFC因其良好的高效率，電路簡(jiǎn)單，EMI特性好，受到業(yè)界的追捧，第三代寬禁帶器件，如碳化硅，由于開關(guān)速度快，導(dǎo)通損耗小，耐壓高，無反向恢復(fù)時(shí)間和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，可以將圖騰柱PFC電路的優(yōu)勢(shì)最大的發(fā)揮出來。

 廣闊的市場(chǎng)空間 

 

雖然相比傳統(tǒng)硅技術(shù)，碳化硅材料具備優(yōu)異的物理特性，但在制造和生產(chǎn)工藝上相比硅具有更嚴(yán)格的要求，而且成本會(huì)更高。家電行業(yè)一直以來對(duì)成本的要求非常嚴(yán)格，目前，碳化硅技術(shù)在其他家電產(chǎn)品領(lǐng)域更多的還是處于推廣階段。

 

目前可以說碳化硅功率器件在家電上的應(yīng)用還局限于空調(diào)，但是空調(diào)成為家電行業(yè)“認(rèn)識(shí)”碳化硅技術(shù)的一個(gè)“窗口”。

 

三安集成市場(chǎng)銷售負(fù)責(zé)人說ye曾表示：“事實(shí)上，2020年7月1日起實(shí)行新能效標(biāo)準(zhǔn)以來，空調(diào)對(duì)能效要求更高，進(jìn)一步增加了碳化硅功率器件在空調(diào)上的應(yīng)用機(jī)會(huì)。“目前，主流空調(diào)廠商都有在布局碳化硅項(xiàng)目，合作需求會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。”

 

同時(shí)，家電行業(yè)不只是空調(diào)變頻化，能效水平需要提升，洗衣機(jī)、冰箱等都在加速變頻化，能效提升也是產(chǎn)品升級(jí)的重要指標(biāo)。因此，碳化硅技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景將非常廣闊。

 

據(jù)陳秋明介紹，隨著各國(guó)頒布更高的能效規(guī)范，在家電領(lǐng)域，除了碳化硅二極管有潛在的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，一些追求更高效率和更高功率密度的空調(diào)、電視機(jī)會(huì)采用目前最高效的基于碳化硅 MOSFET 的無橋圖特柱 PFC 的方案。

 

目前，Wolfspeed 已經(jīng)與各大家電廠商接觸，并積極推廣 Wolfspeed 碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 和 RF GAN。其中，在電視機(jī)領(lǐng)域，Wolfspeed 已經(jīng)和重點(diǎn)客戶合作應(yīng)用碳化硅 MOSFET 和碳化硅二極管。“同時(shí)，Wolfspeed 不僅與家電企業(yè)進(jìn)行合作，也與其相關(guān)的 OEM 廠商合作開發(fā)使用碳化硅器件的產(chǎn)品，讓他們體驗(yàn)更優(yōu)秀的性能和產(chǎn)品。”陳秋明強(qiáng)調(diào)。

來源：碳化硅芯觀察