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固態(tài)繼任:傾佳電子SiC MOSFET為何是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中機(jī)械繼電器的理想替代品的分析報告

楊茜 ? 來源:jf_33411244 ? 作者:jf_33411244 ? 2025-10-19 13:31 ? 次閱讀
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固態(tài)繼任:傾佳電子SiC MOSFET為何是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中機(jī)械繼電器的理想替代品的分析報告

傾佳電子(Changer Tech)是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向,并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

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傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊,助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級!

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然,勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭:

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢!

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢!

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢!

摘要

電力電子領(lǐng)域正經(jīng)歷一場從傳統(tǒng)的機(jī)電開關(guān)(機(jī)械繼電器)到基于寬禁帶半導(dǎo)體的固態(tài)開關(guān)(碳化硅MOSFET)的根本性轉(zhuǎn)變。盡管機(jī)械繼電器在電力控制歷史上扮演了基礎(chǔ)性角色,但其固有的機(jī)械局限性,如開關(guān)速度慢、壽命有限、存在電弧磨損等,已無法滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)對高頻率、高效率、高功率密度和高可靠性的嚴(yán)苛要求。傾佳電子旨在深入論證,碳化硅(SiC)MOSFET憑借其在開關(guān)速度、能量效率、運(yùn)行可靠性和使用壽命方面實(shí)現(xiàn)的數(shù)量級提升,不僅是機(jī)械繼電器的可行替代方案,更是其在技術(shù)演進(jìn)路徑上的必然繼任者。通過剖析在電動汽車、可再生能源及先進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用案例,傾佳電子將揭示這一技術(shù)更迭的必然性及其為電力電子系統(tǒng)設(shè)計帶來的革命性影響。

1. 基礎(chǔ)分析:機(jī)電開關(guān)與半導(dǎo)體開關(guān)的原理對比

1.1. 機(jī)械繼電器:電磁學(xué)的遺產(chǎn)及其固有約束

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機(jī)械繼電器,或稱機(jī)電繼電器(EMR),其工作原理基于基礎(chǔ)的電磁感應(yīng)。當(dāng)電流通過線圈時,會產(chǎn)生一個磁場,該磁場吸引一個可移動的銜鐵,銜鐵的機(jī)械運(yùn)動帶動一組或多組金屬觸點(diǎn)閉合或斷開,從而實(shí)現(xiàn)電路的通斷控制 。這一過程本質(zhì)上是機(jī)械式的,其性能受到物理運(yùn)動部件的根本性制約。

其關(guān)鍵局限性體現(xiàn)在以下幾個方面:

開關(guān)速度: 繼電器的動作依賴于線圈勵磁、銜鐵吸合和觸點(diǎn)移動等一系列物理過程,這使其開關(guān)速度非常緩慢,響應(yīng)時間通常以毫秒(ms)為單位,典型值在5 ms至20 ms之間 。這種物理慣性使其完全不適用于任何需要高頻切換的應(yīng)用。

機(jī)械磨損與有限壽命: 銜鐵和觸點(diǎn)的反復(fù)物理運(yùn)動會導(dǎo)致機(jī)械疲勞和磨損,這決定了繼電器的使用壽命僅限于有限的開關(guān)次數(shù) 。雖然高質(zhì)量繼電器的機(jī)械壽命可達(dá)數(shù)百萬次,但在高頻次開關(guān)的應(yīng)用中,這一壽命會迅速耗盡。

觸點(diǎn)電弧與性能退化: 在帶載分?jǐn)嚯娐窌r,尤其是在直流(DC)或感性負(fù)載下,分離的金屬觸點(diǎn)間會產(chǎn)生電弧。電弧產(chǎn)生的高溫會侵蝕觸點(diǎn)材料,隨時間推移導(dǎo)致接觸電阻增大,嚴(yán)重時甚至?xí)褂|點(diǎn)熔焊在一起,造成永久性閉合的致命故障 。

物理尺寸與噪聲: 機(jī)械動作會產(chǎn)生清晰可聞的“咔嗒”聲 。同時,線圈、銜鐵、彈簧和觸點(diǎn)等組件需要占據(jù)相當(dāng)大的物理空間,這限制了系統(tǒng)的功率密度和小型化 。

功耗: 對于非自鎖型繼電器,線圈需要持續(xù)通電以維持其吸合狀態(tài),這部分能量消耗會累積為系統(tǒng)級的靜態(tài)損耗 。

在這些局限性中,直流電弧問題尤為突出,它構(gòu)成了機(jī)械繼電器在現(xiàn)代高壓直流應(yīng)用中的一道難以逾越的物理屏障。交流電(AC)每個周期會自然過零,有助于熄滅觸點(diǎn)分離時產(chǎn)生的電弧 。然而,直流電是連續(xù)的,一旦在分?jǐn)鄷r形成電弧,電弧將持續(xù)燃燒,產(chǎn)生極高溫度,迅速熔化和侵蝕觸點(diǎn)材料 。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn),專用的高壓直流接觸器不得不采用復(fù)雜的滅弧結(jié)構(gòu),如磁吹滅弧或在真空中/惰性氣體中封裝觸點(diǎn),但這不僅大幅增加了器件的體積和成本,也無法從根本上消除觸點(diǎn)磨損問題 。隨著電動汽車、數(shù)據(jù)中心和可再生能源系統(tǒng)越來越多地采用高壓直流架構(gòu),機(jī)械繼電器在直流分?jǐn)嗄芰ι系倪@一核心弱點(diǎn)使其成為系統(tǒng)安全性和可靠性的關(guān)鍵瓶頸,其被取代不僅是性能優(yōu)化的選擇,更是保障系統(tǒng)安全的必然要求。

1.2. SiC MOSFET:材料科學(xué)驅(qū)動的性能范式轉(zhuǎn)移

碳化硅(SiC)MOSFET的出現(xiàn),代表了功率開關(guān)技術(shù)從物理驅(qū)動到材料科學(xué)驅(qū)動的范式轉(zhuǎn)移。其卓越性能根植于SiC這種寬禁帶半導(dǎo)體材料的獨(dú)特物理特性。

寬禁帶隙(Wide Bandgap): SiC的禁帶寬度約為3.3電子伏特(eV),遠(yuǎn)高于硅(Si)的1.1 eV。這使其能夠在更高的結(jié)溫(超過200°C)下穩(wěn)定工作,同時具有極低的漏電流 。

高臨界擊穿場強(qiáng)(High Breakdown Electric Field): SiC的臨界擊穿場強(qiáng)是硅的近10倍,這意味著在承受相同電壓時,SiC器件的漂移層可以做得更薄,從而大幅降低器件的導(dǎo)通電阻(RDS(on)?) 。

高熱導(dǎo)率(High Thermal Conductivity): SiC的熱導(dǎo)率約為硅的3倍,能夠更高效地將器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出,從而簡化散熱系統(tǒng),提高功率密度 。

其工作原理是純粹的固態(tài)電子行為:通過向柵極施加電壓,在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一個電場,從而控制源極和漏極之間導(dǎo)電溝道的形成或關(guān)閉。整個開關(guān)過程沒有宏觀的機(jī)械運(yùn)動,完全由電子狀態(tài)的改變完成 。

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這些材料和原理上的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為以下器件級性能:

超高速開關(guān): 開關(guān)轉(zhuǎn)換在納秒(ns)級別完成,使得系統(tǒng)工作頻率可以輕松達(dá)到數(shù)百千赫茲(kHz)甚至兆赫茲(MHz)的水平 。

極低損耗: 極低的$R_{DS(on)}$最大限度地減少了導(dǎo)通損耗,而超快的開關(guān)速度則顯著降低了開關(guān)過程中的能量損耗,兩者結(jié)合使SiC MOSFET的整體效率極高 。

固態(tài)可靠性: 由于沒有機(jī)械運(yùn)動部件,SiC MOSFET不存在磨損、疲勞等機(jī)械故障模式。在適當(dāng)?shù)碾?、熱管理下,其理論工作壽命幾乎是無限的 。

SiC MOSFET的真正價值并不僅僅在于其作為單個開關(guān)器件的性能優(yōu)越,更在于它如何系統(tǒng)性地解鎖了全新的電力電子系統(tǒng)架構(gòu)。機(jī)械繼電器是一個緩慢的、二元性的組件,系統(tǒng)設(shè)計必須圍繞其局限性(如低頻、大體積)展開。而SiC MOSFET的納秒級開關(guān)速度 使得高頻工作成為可能 。根據(jù)電力電子基本原理,更高的開關(guān)頻率允許使用體積更小、重量更輕、成本更低的電感和電容等無源器件 。結(jié)合SiC優(yōu)異的熱性能所帶來的散熱系統(tǒng)小型化 ,最終實(shí)現(xiàn)了整個功率變換系統(tǒng)功率密度的巨大飛躍 。此外,快速而精確的控制能力也催生了更先進(jìn)的電路拓?fù)洌鐭o橋圖騰柱PFC和多電平逆變器,進(jìn)一步提升了系統(tǒng)效率 。因此,用SiC MOSFET取代機(jī)械繼電器,并非簡單的元件替換,而是一場架構(gòu)革命,它使工程師能夠擺脫傳統(tǒng)設(shè)計的束縛,構(gòu)建出前所未有的緊湊、高效和智能化的電力變換系統(tǒng)。

2. 核心性能指標(biāo)的量化對比

為了更直觀地展示兩種技術(shù)的差異,下文將對各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行量化分析。

2.1. 速度與動態(tài)性能:從毫秒到納秒的飛躍

機(jī)械繼電器的開關(guān)時間通常在5 ms至20 ms范圍內(nèi) 。相比之下,以基本半導(dǎo)體的B3M040120ZL為例,其開通延遲時間(td(on)?)和上升時間(tr?)等參數(shù)均在納秒級別,總開關(guān)時間遠(yuǎn)低于50 ns 。這意味著SiC MOSFET的開關(guān)速度比機(jī)械繼電器快5到6個數(shù)量級(即10萬至100萬倍)。這一巨大的速度鴻溝是實(shí)現(xiàn)高頻功率變換的根本前提,而機(jī)械繼電器則完全無法企及。此外,固態(tài)開關(guān)沒有機(jī)械觸點(diǎn)抖動問題,確保了每次開關(guān)都是干凈、瞬時的,避免了機(jī)械繼電器在閉合瞬間因觸點(diǎn)彈跳而產(chǎn)生的噪聲和不穩(wěn)定狀態(tài) 。

2.2. 效率、損耗與熱性能

繼電器的損耗主要來自兩部分:維持線圈勵磁的恒定功率(數(shù)百毫瓦級別)和流過觸點(diǎn)的可變導(dǎo)通損耗(I2×Rcontact?) 。SiC MOSFET的主要損耗則包括導(dǎo)通損耗(I2×RDS(on)?)和開關(guān)損耗。在低電流下,繼電器的線圈功耗可能成為主要損耗源;而在高電流下,現(xiàn)代SiC MOSFET極低的導(dǎo)通電阻(例如基本半導(dǎo)體B3M010C075Z的$R_{DS(on)}$僅為10 mΩ )通常使其導(dǎo)通損耗低于同等電流等級的繼電器觸點(diǎn)損耗 。更重要的是,在任何需要頻繁開關(guān)的應(yīng)用中,SiC MOSFET極低的開關(guān)能量損耗(Eon? 和 Eoff? 通常在微焦耳μJ級別 )使其總效率遠(yuǎn)超機(jī)械繼電器。高效率直接意味著更少的發(fā)熱,從而簡化甚至取消了龐大的散熱系統(tǒng),進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的緊湊性和可靠性 。

2.3. 可靠性與工作壽命

機(jī)械繼電器的壽命由有限的機(jī)械開關(guān)次數(shù)決定 。而SiC MOSFET作為固態(tài)器件,沒有物理磨損機(jī)制,其壽命由半導(dǎo)體材料的老化過程決定,在正常工作條件下幾乎是無限的 ?;景雽?dǎo)體等廠商進(jìn)行的加嚴(yán)可靠性測試,如在110%額定電壓下進(jìn)行超過2500小時的高溫反偏(HTRB)測試,驗(yàn)證了其在遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)苛條件下的長期穩(wěn)定性 。繼電器的常見失效模式是觸點(diǎn)磨損或熔焊導(dǎo)致的永久性故障 ,而MOSFET的失效通常與可控的電或熱過應(yīng)力有關(guān),可以通過精密的驅(qū)動和保護(hù)電路來預(yù)防。對于要求數(shù)十億次開關(guān)循環(huán)或極高可靠性的應(yīng)用(如汽車電子工業(yè)自動化),固態(tài)器件是唯一選擇。

2.4. 功率密度與系統(tǒng)小型化

SiC MOSFET帶來的高開關(guān)頻率是系統(tǒng)小型化的核心驅(qū)動力。例如,將開關(guān)頻率從硅基器件的100 kHz提升到SiC的250 kHz,可以使磁性元件和電容器的尺寸大幅減小,從而實(shí)現(xiàn)約30%的系統(tǒng)空間節(jié)省 。器件本身也更加緊湊 。這種由速度和效率提升帶來的系統(tǒng)級優(yōu)勢,是推動SiC技術(shù)普及的強(qiáng)大動力,其價值往往能夠抵消SiC器件本身較高的初始成本。

表1:性能矩陣對比:SiC MOSFET vs. 機(jī)械繼電器

性能參數(shù) SiC MOSFET 機(jī)械繼電器 關(guān)鍵影響
開關(guān)速度 納秒級 (ns) 毫秒級 (ms) SiC支持高頻應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化;繼電器僅適用于低頻或靜態(tài)開關(guān)。
工作壽命 理論上近乎無限(無機(jī)械磨損) 有限(數(shù)萬至數(shù)百萬次機(jī)械循環(huán)) SiC適用于高頻次、長壽命應(yīng)用;繼電器存在磨損和更換成本。
導(dǎo)通效率 極低導(dǎo)通電阻 (RDS(on)?),mΩ級別 較低的觸點(diǎn)電阻,但會因電弧而劣化 SiC在高電流下導(dǎo)通損耗極低且穩(wěn)定;繼電器觸點(diǎn)電阻會隨時間和開關(guān)次數(shù)增加。
開關(guān)效率 開關(guān)損耗極低,效率高 每次開關(guān)都有電弧損耗和機(jī)械損耗 SiC在高頻下效率極高;繼電器不適合高頻開關(guān)。
驅(qū)動/線圈功耗 極低的柵極驅(qū)動功耗(僅在開關(guān)瞬間) 持續(xù)的線圈維持功耗(非自鎖型) SiC系統(tǒng)靜態(tài)功耗更低,更節(jié)能。
可靠性與失效模式 固態(tài)可靠性高;失效模式為電/熱過應(yīng)力 機(jī)械磨損、觸點(diǎn)熔焊、線圈燒毀 SiC可通過保護(hù)電路提高可靠性;繼電器存在不可預(yù)測的機(jī)械故障。
電弧現(xiàn)象 完全無電弧 存在嚴(yán)重電弧,尤其在直流下 SiC本質(zhì)上適用于高壓直流分?jǐn)啵踩?;繼電器在直流下可靠性差,有火災(zāi)風(fēng)險。
運(yùn)行噪聲 完全靜音 有明顯的“咔嗒”機(jī)械動作聲 SiC適用于對噪聲敏感的環(huán)境(如高端家電、醫(yī)療設(shè)備)。
功率密度 極高,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化 較低,器件體積龐大 SiC有助于減輕系統(tǒng)重量、縮小體積,對電動汽車和便攜設(shè)備至關(guān)重要。
電氣隔離 需外部驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)隔離(如光耦或磁耦) 線圈與觸點(diǎn)天然電氣隔離 繼電器提供“物理氣隙”隔離;SiC系統(tǒng)需通過驅(qū)動電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)同等級別的安全隔離。

3. 應(yīng)用場景深度剖析:技術(shù)替代的實(shí)踐案例

SiC MOSFET對機(jī)械繼電器的取代并非理論上的推演,而是在多個前沿行業(yè)中正在發(fā)生的深刻變革。以下案例研究將具體展示這種技術(shù)替代的實(shí)際價值。

3.1. 電動汽車:賦能更安全、更高效的電氣化

案例研究一:固態(tài)電池斷路單元(E-Fuse/固態(tài)接觸器)

應(yīng)用挑戰(zhàn): 電動汽車的高壓電池包需要一個極其可靠的斷路開關(guān),用于在故障、碰撞或維修時安全地切斷電源。傳統(tǒng)的機(jī)械式高壓直流接觸器在分?jǐn)啻箅娏鲿r會產(chǎn)生強(qiáng)烈的直流電弧,這不僅會嚴(yán)重侵蝕觸點(diǎn),限制其使用壽命,還可能在極端情況下導(dǎo)致觸點(diǎn)熔焊而無法斷開,構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患 。

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SiC MOSFET解決方案: 采用SiC MOSFET構(gòu)建的固態(tài)斷路器(也稱為電子熔絲E-Fuse或固態(tài)接觸器)能夠完美解決上述問題。通常采用兩個SiC MOSFET背靠背連接,以實(shí)現(xiàn)雙向電流的通斷和阻斷 。

核心優(yōu)勢:

無電弧開關(guān): 固態(tài)開關(guān)的本質(zhì)決定了其在分?jǐn)嚯娏鲿r不會產(chǎn)生任何電弧,從根本上消除了觸點(diǎn)磨損和熔焊的風(fēng)險,極大地提升了安全性和可靠性 。

微秒級快速響應(yīng): 固態(tài)斷路器能夠在微秒級別內(nèi)響應(yīng)短路故障,比傳統(tǒng)熔絲或機(jī)械接觸器的響應(yīng)速度快數(shù)百倍,從而在故障電流造成損害前迅速切斷電路,保護(hù)電池包和昂貴的下游部件 。

可復(fù)位與智能控制: 與一次性的熔絲不同,電子熔絲在故障排除后可以通過軟件指令復(fù)位,無需物理更換,大大降低了維修成本和復(fù)雜性 。其跳閘閾值和響應(yīng)特性還可以通過軟件靈活配置,實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的負(fù)載管理,例如在電池電量低時優(yōu)先切斷空調(diào)、座椅加熱等非關(guān)鍵負(fù)載。

長壽命與小型化: 無機(jī)械磨損帶來了超長的使用壽命,同時固態(tài)方案比笨重的高壓直流接觸器體積更小、重量更輕,有助于整車的輕量化和空間優(yōu)化 。

相關(guān)產(chǎn)品: 基本半導(dǎo)體的車規(guī)級(AEC-Q101認(rèn)證)SiC MOSFET產(chǎn)品,如AB3M和AB2M系列,正是為這類嚴(yán)苛的汽車應(yīng)用而設(shè)計 。

3.2. 可再生能源與現(xiàn)代電網(wǎng)

案例研究:光伏逆變器直流拉弧與固態(tài)斷路器(SSCB)

應(yīng)用挑戰(zhàn): 光伏陣列產(chǎn)生高壓直流電,需要一個可靠的直流斷路器用于安全和維護(hù)。機(jī)械式斷路器響應(yīng)慢,且同樣面臨直流拉弧的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),是光伏電站火災(zāi)的主要隱患之一。在直流微電網(wǎng)中,快速的故障隔離對于防止系統(tǒng)崩潰至關(guān)重要 。

SiC MOSFET解決方案: SiC MOSFET被用于構(gòu)建固態(tài)斷路器(Solid-State Circuit Breaker, SSCB),作為光伏系統(tǒng)中的直流快速開關(guān)和保護(hù)裝置 。

核心優(yōu)勢:

微秒級故障隔離: SSCB能在微秒內(nèi)檢測并切斷故障電流,比機(jī)械斷路器的毫秒級響應(yīng)快數(shù)千倍,有效保護(hù)逆變器等核心設(shè)備免受損壞 。

本質(zhì)安全: 無電弧分?jǐn)嗵匦詮氐紫酥绷骼∵@一火災(zāi)隱患,顯著提升了光伏系統(tǒng)的安全性 。

更高系統(tǒng)效率: SiC MOSFET的低導(dǎo)通電阻意味著在正常工作時,SSCB自身的功率損耗遠(yuǎn)低于基于硅器件的方案或存在接觸電阻的機(jī)械開關(guān),從而提升了整個系統(tǒng)的發(fā)電效率 。

相關(guān)產(chǎn)品: 基本半導(dǎo)體提供的1200V等高壓等級分立器件(如B3M040120Z )和工業(yè)級功率模塊(如BMF系列 )非常適合此類應(yīng)用,其產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域明確包括光伏逆變器和儲能系統(tǒng) 。

3.3. 先進(jìn)工業(yè)電力系統(tǒng)

相關(guān)產(chǎn)品: 基本半導(dǎo)體的Pcore? 34mm封裝模塊(如BMF80R12RA3)和Pcore? E2B系列模塊(如BMF240R12E2G3)等工業(yè)級產(chǎn)品,其應(yīng)用領(lǐng)域明確指向了高端電焊機(jī)、大功率充電樁和PCS等 。

表2:應(yīng)用對比 - 電動汽車電池斷路單元

性能指標(biāo) SiC MOSFET 固態(tài)繼電器 傳統(tǒng)機(jī)械式接觸器
故障響應(yīng)時間 微秒級 (μs) 毫秒級 (ms)
電弧現(xiàn)象 完全無電弧 存在嚴(yán)重的直流電弧,侵蝕觸點(diǎn)
使用壽命 極長,無機(jī)械磨損 有限,受開關(guān)次數(shù)和電弧侵蝕限制
可復(fù)位性 軟件可復(fù)位 不可復(fù)位(熔焊后需更換)
尺寸與重量 緊湊、輕量 體積龐大、沉重
智能控制 可通過軟件配置跳閘特性,實(shí)現(xiàn)智能負(fù)載管理 功能單一,僅為開/關(guān)

4. 戰(zhàn)略意義與未來展望

4.1. 使能生態(tài)系統(tǒng):超越開關(guān)本身

將機(jī)械繼電器替換為SiC MOSFET并非簡單的“即插即用”。繼電器本身是一個集成了線圈和開關(guān)的獨(dú)立系統(tǒng),而SiC MOSFET則是一個需要復(fù)雜支持生態(tài)系統(tǒng)才能發(fā)揮其全部潛能的核心組件。這個生態(tài)系統(tǒng)包括:

專用柵極驅(qū)動器: 為了實(shí)現(xiàn)納秒級的快速開關(guān),需要能夠提供精確驅(qū)動電壓(如-4V/+18V)、強(qiáng)大驅(qū)動電流,并集成米勒鉗位、退飽和保護(hù)(DESAT)等高級功能的專用驅(qū)動芯片 。例如,基本半導(dǎo)體的BTD系列驅(qū)動芯片就是為此類應(yīng)用而設(shè)計 。

控制與傳感電路: 需要微控制器MCU)產(chǎn)生高頻PWM信號進(jìn)行精確控制,并配合電流、電壓和溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,以實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)和智能管理功能 。

從繼電器到SiC MOSFET的轉(zhuǎn)變,實(shí)質(zhì)上是從簡單的電氣控制設(shè)計轉(zhuǎn)向了復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)工程。這雖然提升了設(shè)計的復(fù)雜度,但也解鎖了前所未有的系統(tǒng)性能和功能。

4.2. “全面取代”的路徑

深圳市傾佳電子有限公司(簡稱“傾佳電子”)是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者:
傾佳電子成立于2018年,總部位于深圳福田區(qū),定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商,業(yè)務(wù)聚焦三大方向:
新能源:覆蓋光伏、儲能、充電基礎(chǔ)設(shè)施;
交通電動化:服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)(電控、電池、電機(jī))及高壓平臺升級;
數(shù)字化轉(zhuǎn)型:支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命,響應(yīng)國家“雙碳”政策(碳達(dá)峰、碳中和),致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
需求SiC碳化硅MOSFET單管及功率模塊,配套驅(qū)動板及驅(qū)動IC,請搜索傾佳電子楊茜

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盡管SiC MOSFET在性能驅(qū)動型應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。在可預(yù)見的未來,機(jī)械繼電器仍將在某些特定領(lǐng)域保持其存在價值:

極端成本敏感型應(yīng)用: 對于開關(guān)頻率極低、性能要求不高的非關(guān)鍵應(yīng)用,機(jī)械繼電器的初始采購成本仍然具有優(yōu)勢 。

追求“真實(shí)”電氣隔離的場合: 某些傳統(tǒng)或特定的安全標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制要求物理氣隙隔離。盡管固態(tài)方案通過光電或磁隔離技術(shù)同樣能實(shí)現(xiàn)高等級的絕緣,但一些工程師仍然偏好機(jī)械繼電器所提供的直觀物理斷點(diǎn) 。

然而,技術(shù)發(fā)展的趨勢是明確的。隨著SiC制造工藝的成熟和規(guī)模化生產(chǎn),其成本正持續(xù)下降 。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計者越來越多地從系統(tǒng)總成本(Total Cost of Ownership, TCO)而非單個元件成本的角度進(jìn)行考量時,SiC方案的優(yōu)勢將愈發(fā)凸顯。

4.3. 結(jié)論:向固態(tài)主導(dǎo)地位的必然演進(jìn)

綜上所述,SiC MOSFET在開關(guān)速度、效率、可靠性、功率密度等所有關(guān)鍵性能維度上均對機(jī)械繼電器構(gòu)成了壓倒性優(yōu)勢。應(yīng)用案例清晰地表明,這種優(yōu)勢并非停留在理論層面,而是正在驅(qū)動電動汽車、可再生能源和高端工業(yè)等最具活力和挑戰(zhàn)性的行業(yè)發(fā)生深刻變革。

雖然SiC MOSFET的單體價格目前仍高于機(jī)械繼電器,但從系統(tǒng)全生命周期的總成本(TCO)來看,其帶來的能源節(jié)約、散熱和無源元件成本的降低、以及可靠性提升所減少的維護(hù)和更換成本,使其成為現(xiàn)代高性能電力系統(tǒng)的更經(jīng)濟(jì)、更理想的選擇 。因此,從機(jī)械繼電器到SiC MOSFET的過渡,不僅是一種技術(shù)選擇,更是電力電子技術(shù)邁向更高效率、更高密度和更高可靠性的必然進(jìn)化路徑。在功率開關(guān)領(lǐng)域,固態(tài)化已是大勢所趨。

審核編輯 黃宇

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