В таких сценариях применения, как преобразование частоты новой энергии, промышленное управление, хранение фотоэлектрической энергии, преобразование частоты небольших бытовых приборов и сервопривод, повышение энергоэффективности, миниатюризация и высокая надежность стали важнейшими потребностями отрасли. Поскольку глобальная стратегия углеродной нейтральности продолжает развиваться, страны ужесточают стандарты энергоэффективности для электрооборудования. Требования конечных потребителей к силовым устройствам изменились с «достаточно» на «превышение предела» — более высокая эффективность преобразования, меньшие размеры и более высокая адаптация к окружающей среде меняют логику выбора силовых полупроводников. От стандартов энергоэффективности IEC до внутренних целей «двойного углерода», от интеллектуальных требований Индустрии 4.0 до концепции экологически чистого потребления на стороне потребителя, силовые устройства претерпевают сдвиг парадигмы от «на основе кремния достаточно» к «широкая запрещенная зона является обязательной».
Традиционный IPM на основе кремния постепенно приближается к потолку производительности. Физические свойства кремниевых материалов определяют, что их потери в условиях высоких температур, высоких частот и высокого напряжения трудно дополнительно уменьшить. Снижение надежности, вызванное повышением температуры устройств, также стало долгосрочной проблемой для разработчиков систем. В частности, хвостовой ток кремниевых IGBT приводит к постоянно высоким потерям при выключении. Сопротивление кремниевых МОП-транзисторов в открытом состоянии резко возрастает с повышением температуры под высоким напряжением, а срок службы устройства экспоненциально сокращается в высокотемпературных средах. Эти фундаментальные ограничения материалов на основе кремния трудно преодолеть лишь за счет структурной и технологической оптимизации. Столкнувшись с этим узким местом в отрасли, карбид кремния (SiC) с его естественными преимуществами как материал с широкой запрещенной зоной стал лучшей альтернативой и решением для модернизации с более низкими потерями переключения, более высокой теплопроводностью и более высоким выдерживаемым напряжением.
Эта серия продуктов точно отвечает требованиям внутренней замены в различных сценариях, совместима по выводам с основными моделями в отрасли и обеспечивает плавную замену решений. Его цель — помочь клиентам осуществить модернизацию карбида кремния с наименьшими затратами на переход, превращая технологию карбида кремния из «высококачественной дополнительной конфигурации» в «стандартную отраслевую конфигурацию».
Переопределите границы производительности IPM
⚡ потери при переключении ↓70%
⚡объем ↓30-50%
⚡ потеря проводимости ↓50%
⚡ эффективность ↑1-3%
⚡ температура перехода 175°С
Сверхнизкие потери приводят к значительному повышению общей энергоэффективности машины. Ширина запрещенной зоны карбида кремния достигает 3,26 эВ, что примерно в три раза больше, чем у кремния. Напряженность критического электрического поля пробоя в десять раз выше, чем у кремния. Скорость дрейфа насыщения электронов в два раза превышает скорость кремния. Эти физические свойства позволяют SiC MOSFET иметь чрезвычайно низкие потери переключения и потери проводимости в процессе переключения. По сравнению с проблемой хвостового тока, существующей в кремниевых IGBT, SiC MOSFET имеют быстрое выключение и отсутствие хвостового тока, что принципиально устраняет основной источник потерь при выключении. Если взять в качестве примера типичные условия эксплуатации преобразователей частоты, по сравнению с IPM на основе кремния той же спецификации, потери переключения NSIC SiC IPM могут быть уменьшены более чем на 70 %, потери проводимости могут быть уменьшены более чем на 50 %, а общий КПД машины может быть увеличен на 1–3 %. В сценариях высокой мощности и долгосрочной эксплуатации это означает, что предприятия могут ежегодно экономить десятки тысяч юаней на расходах на электроэнергию, а период окупаемости инвестиций значительно сокращается.
Сравнение ключевых параметров SiC и IPM на основе кремния 
Высокочастотная адаптация, дальнейшая миниатюризация
Меньшие потери переключения означают, что устройство может стабильно работать при более высокой частоте переключения. Guogui SiC IPM поддерживает более высокие рабочие частоты. При той же выходной мощности клиенты могут значительно сократить объем и использование периферийных пассивных компонентов, таких как трансформаторы, катушки индуктивности и конденсаторы. В типичных приложениях при увеличении частоты переключения с 10 кГц до 40 кГц объем магнитных компонентов может быть уменьшен более чем на 50%. Ожидается, что в сочетании с компактной упаковкой самого SiC IPM общий объем машины уменьшится на 30–50%, что откроет пространство для проектирования для миниатюризации и облегчения конечных продуктов. Меньший размер системы также означает меньший расход материалов и транспортные расходы, в результате чего снижается углеродный след на протяжении всего жизненного цикла. Это полностью соответствует основной логике «зеленого» развития новой энергетической отрасли.
Надежность при высоких температурах, отсутствие страха перед суровыми условиями работы
Теплопроводность материала SiC в три раза выше, чем у кремния. Его голый кристалл (SiC Die) имеет потенциал термостойкости 175°C или даже 200°C, что значительно превышает предел в 150°C для кремниевых устройств. Это наделяет модуль Guosi SiC IPM более широким запасом безопасности системы. Обладая превосходной устойчивостью к высоким температурам и лавинной стойкости, он работает более стабильно в суровых условиях работы, таких как высокая температура, высокая влажность и сильная вибрация, и значительно снижает требования к отводу тепла. Это означает, что клиенты могут выбрать радиаторы меньшего размера или вообще отказаться от теплоотвода, что еще больше снижает объем и стоимость системы. В сценариях с большими колебаниями температуры, таких как наружные фотоэлектрические системы и бортовые системы питания, стабильная работа SiC IPM в широком температурном диапазоне может эффективно снизить потери мощности, вызванные снижением характеристик при перегреве, гарантируя, что система по-прежнему будет поддерживать номинальную выходную мощность в экстремальных условиях.
Высокая интеграция, более лаконичный дизайн
NSIC SiC IPM глубоко объединяет силовые МОП-транзисторы из карбида кремния с высоковольтными схемами управления затвором, диодами загрузчика, защитой от пониженного напряжения (UVLO), обнаружением температуры (VOT) и другими функциями в одном корпусе. Клиентам не нужно подключать внешние независимые драйверы и схемы защиты. Спецификация периферийных устройств значительно оптимизирована, площадь разводки печатной платы значительно уменьшена, а цикл исследований и разработок сокращен более чем на 30%. Для клиентов с недостаточным опытом работы с приложениями из карбида кремния функция «подключи и работай» SiC IPM значительно снижает порог использования — нет необходимости глубоко понимать особые требования к драйверам затворов SiC или заниматься координацией времени между драйверами и защитой. Просто подключитесь к системе, как при использовании IPM на основе кремния, и вы сможете насладиться преимуществами производительности, обеспечиваемыми карбидом кремния.
Замена без проблем: PIN 2 PIN легко заменяет существующее решение на основе кремния. 
SiC IPM NSIC совместим с определениями контактов основной упаковки. Клиенты могут напрямую заменить существующее кремниевое решение IPM на PIN2PIN без серьезных модификаций платы. Разводка печатной платы и программный код практически полностью изменены. Это означает, что клиентам не нужно повторно подавать заявку на сертификацию по ЭМС, переписывать код драйвера или даже заменять сварочное приспособление — переход с кремния на карбид кремния — это просто замена кода материала. На фоне внутреннего замещения Guogui SiC IPM предлагает отрасли путь модернизации с низким уровнем риска и высокой доходностью.
Обзор серии продуктов
NCE — первая партия продуктов SiC IPM, выпущенная NSIC, охватывает платформу напряжения 600 В с номинальным током от 7 А до 15 А. Они используют основные отраслевые пакеты, такие как PQFN5×6, SOP16W, SOP23, DIP23 и ESOP13, отвечающие требованиям приложений различных сегментов мощности.
Сценарии применения
Преобразование промышленной частоты и сервопривод:
В преобразователях частоты и сервоприводах сверхнизкие потери и высокочастотные характеристики SiC IPM могут значительно повысить эффективность привода двигателя, снизить тепловыделение системы, уменьшить объем радиаторов и способствовать переходу промышленного оборудования к высокой эффективности, энергосбережению, компактности и легкому весу. Высокочастотные характеристики SiC IPM, особенно в многоосных сервосистемах, могут значительно снизить потери в железе и меди двигателя, обеспечивая более точное управление крутящим моментом.
Фотоэлектрический инвертор и преобразование накопителя энергии:
При напряжении 600 В SiC IPM особенно подходит для микроинверторов, бытовых фотоэлектрических систем малой мощности и систем хранения энергии. Каждое повышение эффективности на 0,1% означает значительный доход от производства электроэнергии. Высокоэффективное преобразование и стабильная работа при высоких температурах SiC IPM идеально соответствуют основным требованиям фотоэлектрических систем хранения энергии в отношении длительного срока службы и высокой надежности. Между тем, его высокочастотные характеристики помогают уменьшить объем фильтрующих устройств и снизить стоимость системы.
Бытовые приборы с регулируемой частотой и автомобильные системы терморегулирования:
Бытовая техника, такая как компрессоры кондиционеров и модули преобразования частоты холодильников, требует бесшумности и энергосбережения. Высокочастотные характеристики SiC IPM могут значительно снизить звуковой шум двигателя, улучшить коэффициент энергоэффективности и легко соответствовать новым стандартам энергоэффективности первого уровня. Кроме того, в сценариях вождения бортовых вспомогательных двигателей, таких как электронные водяные насосы и электронные компрессоры кондиционирования воздуха в транспортных средствах на новых источниках энергии, преимущества миниатюризации и устойчивости к высоким температурам 600-вольтового SiC IPM позволяют ему стабильно работать в компактном и высокотемпературном моторном отсеке.
Высокоскоростные двигатели и новые электроинструменты:
В последние годы такие приложения, как высокоскоростные воздуховоды (со скоростями, часто превышающими 100 000 оборотов в час) и интеллектуальные газонокосилки с чрезвычайно суровыми рабочими условиями, выдвинули экстремальные требования к высокочастотному отклику, а также устойчивости к высоким температурам и высокой влажности модулей IPM. Высокочастотная функция отсутствия хвостов и чрезвычайно низкое тепловыделение SiC IPM идеально решают серьезные проблемы повышения температуры и даже перегорания, вызванные ограничениями высокочастотного переключения и рассеивания тепла в традиционных решениях, обеспечивая срок службы терминального оборудования в экстремальных условиях работы.
Краткий справочник сценариев применения и рекомендуемых моделей:
