碳化硅(SIC)已成为电力电子领域最具变革性的宽带隙(WBG)半导体技术之一。碳化硅 mosfet 和碳化硅二极管的性能显著优于传统硅基器件，具备更高的击穿电压、更快的开关速度以及实际工作条件下的超高效率。这些特性让设计人员能够打造更出色的功率转换系统，在全负载范围内实现更紧凑的结构、更强的热稳定性和更高的能效。

供暖、通风和空调(HVAC)、电动汽车(EV)直流快充系统、光伏(PV)逆变器以及储能系统(ESS)等工业应用正日益广泛地采用碳化硅技术。背后的驱动因素不仅包括性能需求，还涉及对更高效率、更小尺寸和更低生命周期成本的法规要求与市场需求。

碳化硅在暖通空调(HVAC)系统中的应用

暖通空调系统迅速采用碳化硅技术，既得益于其性能优势，也是为了响应新法规以及市场对更高效率、更小尺寸和更低运行成本的日益增长的需求。

碳化硅技术通过系统中的两个关键部分满足这些需求 —— 电机逆变器和功率因数校正(PFC)级(见图 1)。

电机逆变器

在传统暖通空调系统的电机逆变器中，硅 IGBT 仍占据主导地位，但它们的开关损耗以及部分负载下的效率限制，制约了整个系统的性能。

图1a

图1b

采用碳化硅 MOSFET 替代硅 IGBT 后，可实现以下优势：

· 全负载范围内的更高效率：碳化硅更低的导通损耗和开关损耗，不仅在满负载时提升效率，在暖通空调典型工作剖面中占主导的部分负载工况下也能增效。

· 降低可听噪声：工作频率提升至 16-20kHz，将逆变器产生的噪声移出可听频谱范围。

· 降低运行成本：尽管碳化硅器件的初始成本较高，但系统生命周期内节省的能源能带来更优的性价比。

碳化硅 MOSFET 在电机逆变器应用中展现出显著的效率优势，尤其在部分负载条件下。与电流无关、保持固定饱和电压的 IGBT 不同，碳化硅 MOSFET 呈现电阻特性，导通损耗可随负载电流成比例降低。这使得它们在低工作电流下本质上更高效，而 IGBT 的恒定压降在该工况下会成为主要损耗因素。

将逆变器与电机集成于一体的嵌入式驱动系统，能进一步放大这些优势。这种配置省去了长电机电缆，电机绕组通常设计为可承受更高 dv/dt 水平的绝缘等级。这使得碳化硅器件能够使用相对较低的栅极电阻值，以更高的 dv/dt 转换速率工作，从而在高负载工况下也能进一步降低开关损耗、提升效率。

另一方面，在标准工业电机驱动器中，为保护电机绕组绝缘并降低电磁干扰(EMI)，dv/dt 转换速率通常需要限制在约 5kV/µs 左右。为满足这一要求，设计人员通常有两种选择：增大栅极电阻(Rg)以减缓碳化硅 MOSFET 的 dv/dt，或保持较低的栅极电阻并添加外部 dv/dt 滤波器。

使用高栅极电阻值会限制碳化硅器件的开关性能，导致开关损耗增加，可能需要更大体积的散热器来处理额外的散热。相比之下，dv/dt 滤波器能保持较低的开关损耗，但需要额外的滤波元件 [1]。

功率因数校正(PFC)转换器

图 1 清晰展示了碳化硅技术在最先进的中性线升压功率因数校正(NPFC)拓扑结构中，如何优于 IGBT。通过使用碳化硅元件，开关频率可提升至约 135kHz，接近 150kHz 的传导电磁兼容性(EMC)水平，而纯硅解决方案的开关频率仅为其一半。仅将续流二极管(FWD)替换为碳化硅器件，就能在额定负载下将效率从 97.6% 提升至 98.4%;若将 IGBT 替换为碳化硅 MOSFET，效率可超过 99%。

在功率因数校正级选用碳化硅元件具有多重优势：

· 紧凑的功率因数校正设计：更高的开关频率减小了无源元件的尺寸，实现更紧凑的设计。

· 相比硅器件，即使在更高开关频率下仍能保持更高效率。

· 降低系统成本：更小的磁性元件、散热器和外壳，减少了整体系统成本。

· 碳化硅二极管是关键支撑：其零反向恢复损耗是实现高效率和高功率密度的核心。搭配碳化硅二极管的 IGBT 是更具成本效益的解决方案，而全碳化硅方案则能提供卓越性能。

然而，在功率因数校正级，拓扑结构的选择对系统成本与性能的权衡起着决定性作用。以下图表在一致的工作条件下，对四种拓扑结构进行了基准测试和比较。

图2

图 2 中的前三种拓扑结构均为具备输出电压控制能力的电压源转换器。尽管它们所需的栅极驱动电路、功率因数校正电感器和大型电解直流母线电容器数量相近，但维也纳拓扑每相仅使用一个碳化硅 MOSFET，而中性线升压功率因数校正(NPFC)和先进中性线升压功率因数校正(ANPFC)中的碳化硅 MOSFET 则采用背靠背配置。

在 Vincotech 专有拓扑 —— 先进中性线升压功率因数校正(ANPFC)拓扑中 [2]，可将升压二极管的击穿电压从 1200V 降至 650V，从而能够使用价格更低的低压碳化硅续流二极管。

图 3 中的电流合成功率因数校正(CSPFC)拓扑基于三次谐波电流注入，需要恒定功率控制。该拓扑的优势在于减少了电路中的碳化硅用量，仅需一个用于三次谐波注入的电感器(而非三个功率因数校正电感器)，且无需大型电解直流母线电容器 [3]。

图3a

图3b

效率基准测试显示，在电压源转换器中，中性线升压功率因数校正(NPFC)拓扑的效率最高，但由于大量使用碳化硅元件，其成本也最高。

先进中性线升压功率因数校正(ANPFC)拓扑可降低约 10% 的成本，这是通过将升压二极管的击穿电压从 1200V 降至 650V，使用更具成本效益的元件实现的。但由于续流期间两个串联二极管的压降更高，其效率比中性线升压功率因数校正(NPFC)拓扑低约 0.2%。

维也纳整流器每相仅使用一个碳化硅 MOSFET，可进一步节省约 10% 的成本，但由于 MOSFET 的损耗更高，其效率也最低。

三次谐波注入电流合成功率因数校正(CSPFC)拓扑的效率最高。此处的碳化硅 MOSFET 仅需切换三次谐波电流，因此可轻松实现高开关频率工作。但该拓扑的缺点是缺乏输出电压调节功能，需额外添加直流 / 直流(DC/DC)级才能实现。由于该拓扑中碳化硅用量最少，因此成本也最低。

碳化硅在电动汽车充电基础设施中的应用

在直流快充基础设施中，碳化硅已确立其核心技术地位。对更快、更高效、可扩展充电解决方案的需求不断增长，推动了碳化硅的广泛应用。碳化硅能显著提升系统效率 —— 从典型的 95% 左右提升至 98%，同时更好地兼容 800V 及以上的更高电池电压。

除了效率提升，碳化硅还有助于降低运行成本，并减小安装占地面积。这两项优势对于空间和可达性至关重要的公共充电基础设施而言，具有关键意义。

图 4 展示了交流 / 直流(AC/DC)和隔离式直流 / 直流(DC/DC)转换器的多种拓扑结构。根据输出功率和电池电压范围，不同拓扑结构可提供更优的性价比。但在车辆到电网(V2G)应用场景下，双向充电呈现出明确的趋势和更窄的选择范围。在这种场景中，电动汽车不仅能从电网取电，还能向电网反馈电能。

图4a

图4b

这种能力有助于稳定电网，支持可再生能源的并网，使电动汽车在用电高峰或停电时可作为移动储能设备使用。

迈向兆瓦级充电

兆瓦级充电系统(MCS)正迅速成为卡车和公交车等长途重型车辆的必需品。这类系统的输出功率可达 3.75 兆瓦，能让车辆减少停靠次数、延长行驶时间，运行效率更高。

如今的兆瓦级充电系统主要复用联合充电系统(CCS)的基础设施，通过堆叠多个设计用于最高 920V 电池电压的子单元，实现更高功率输出。但下一代兆瓦级充电系统正朝着 1250V 电池电压转型，这使得与可再生能源和储能系统中常见的 1500V 直流耦合系统的集成变得更加简单。

在该架构中，集中式功率因数校正级或固态变压器(SST)可直接连接中压电网，随后接入模块化直流 / 直流转换器。这种配置高度依赖碳化硅在更高电压和开关频率下保持系统效率的能力，同时需要配备额定电压为 2kV 及以上的新型碳化硅 MOSFET 功率模块。

图5

碳化硅在光伏逆变器和储能系统(ESS)中的应用

在住宅和商用光伏逆变器市场，碳化硅技术的应用正迅速增长，尤其是在将太阳能发电和电池充电功能集成于一体的混合逆变器中。但碳化硅的最大应用份额来自大型地面光伏组串式逆变器和储能系统。

传统硅与碳化硅元件相结合的混合拓扑结构，是此类应用的热门选择，能实现成本与性能的平衡。一方面，在功率模块的高频部分等最能发挥碳化硅优势的场景中使用碳化硅;另一方面，在低频部分保留硅器件，因其性能足以满足需求且成本更低。

光伏逆变器的升压级

光伏逆变器通常采用两级功率转换架构：直流 / 直流升压转换器负责最大功率点跟踪(MPPT)，并将光伏板的输出电压调节至所需的直流母线电压水平，该电压作为直流 / 交流逆变器的输入，将太阳能馈入公共电网。在输入级，通常采用两电平及三电平对称升压拓扑结构，但新型设计正探索将三电平飞跨电容升压架构 [4] 应用于大功率大型地面光伏应用。

图6

两电平升压转换器结构更简单，但需要 2kV 及以上的高压碳化硅元件。一方面是为了在 1500V 直流母线电压之上提供足够的击穿电压裕量，并确保抗宇宙射线能力;另一方面是为了满足效率目标。

图7

然而，这些元件比三电平拓扑中使用的 1200V 器件昂贵得多。此外，受散热限制，必须并联更多芯片。随着电压升高，MOSFET 的开关速度也会变慢，因此建议在 24kHz 以下的较低开关频率下使用，这导致需要更大、更重的升压电感器。

三电平拓扑引入了额外的第三电压等级，降低了升压电感器两端的电压。因此，对于给定的纹波电流，电感器的数值可减半，从而减少电感器的体积、重量和成本 —— 这在系统层面带来了另一项重要优势。

飞跨电容升压拓扑与三电平对称升压设计的不同之处在于，电感器电压在每个开关周期内会两次反转极性，这实际上使电感器电流纹波加倍。

因此，对于相同的纹波电流，所需的电感量比三电平对称升压拓扑减少一半，进一步降低了磁性元件的尺寸、重量和成本。且这种改进无需改变升压开关和二极管的规格，因此模块价格保持不变。

显然，与两电平和三电平对称升压拓扑相比，飞跨电容拓扑具有最佳的性价比。对于高达 40kHz 的电感器电流频率，混合三电平飞跨电容拓扑提供了最优的系统级性价比;当开关频率高于 40kHz 时，全碳化硅方案是最佳选择。

光伏逆变器和储能系统的逆变级

在 1500V 光伏逆变器中，基于三电平 NPC I 型拓扑、结合硅 IGBT 与碳化硅续流二极管(FWD)的混合方案已十分成熟。这些解决方案在成本与效率之间取得平衡，具有以下优势：

· 降低 IGBT 的开通损耗和热应力，消除中性点钳位二极管的反向恢复损耗，实现高效率。

· 降低电磁干扰(EMI)噪声。

有源中性点钳位(ANPC)转换器正成为需要全双向性的储能系统应用的热门选择 [5]。该配置在内部调制桥臂中采用碳化硅 MOSFET，与 NPC T 型拓扑相比，使用更少的昂贵碳化硅开关，就能以极具优势的性价比实现卓越效率。

在此场景中，与硅 IGBT 和碳化硅续流二极管的组合相比，碳化硅 MOSFET 的优势更为显著：

· 充放电路径的动态损耗大幅降低，实现高效率，这对电池逆变器至关重要。

· 过载能力更强，能有效应对电网支持或负载均衡期间的瞬态工况。

· 减少散热需求。

· 降低运行成本(欧元 / 千瓦时)。

图8a

图8b

图 9 清晰展示了工程师在设计光伏和储能系统应用、从硅技术转向碳化硅技术时可进行的设计权衡：

· 在硅技术级别的开关频率(fsw)下工作，通过降低热应力延长使用寿命。

· 在相近的结温(Tj)下，开关频率(fsw)可提高高达 2/3，实现更小、更便宜的滤波电感器。

· 在相近的结温(Tj)和开关频率(fsw)下，相同外壳尺寸可输出更高功率。

图9a

图9b

总结

得益于卓越的效率、紧凑性和可靠性，碳化硅技术在各工业领域的应用正迅速推进。随着这些器件的成本不断降低、技术持续进步，碳化硅将越来越多地应用于大功率、高效率场景。

在暖通空调系统中，碳化硅实现了更安静的运行和更高的能效(尤其是在部分负载工况下)，并助力满足严格的法规标准。在电动汽车充电基础设施中，它提供了高功率密度和兆瓦级快充能力，提升了充电便利性并缩短了充电时间。

碳化硅是下一代大型地面光伏组串式逆变器的关键支撑技术，能在相同物理尺寸下实现更高功率输出。在储能系统中，它实现了高效的双向性能，并为电网支持和负载均衡提供了稳健性。在可见的未来，碳化硅将在光伏组串电压向 2kV 以上升级的转型中发挥关键作用，助力进一步降低运行成本(欧元 / 千瓦时)并释放更高的系统效率。