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摘要：“3060碳排放目标”的实施和贯彻，是我国政府在全面提倡“绿水青山就是金山银山”理念下做出重大举措。基于这一背景下，碳化硅作为“一匹半导体黑马”满足了“碳中和”战略中关于“节能减排”的要求，在新能源电车领域、特高压领域、光电领域等中起到了不可替代的作用。本文针对碳化硅器件在节能减排领域中的应用进行全面的探究，旨在为进一步推广碳化硅器件在各个领域中的应用提供建议和指导。

关键词：碳化硅；节能；减排

一、碳化硅材料的性能优势

碳化硅相比第一代（硅）与第二代（砷化镓）半导体材料，具有明显的优势，如：热导率高；高击穿场强；高饱和电子漂移速率，这些明显的优势成为第三代半导体材料的典型代表[1]。基于这些优势，使得其不仅能够满足当前电子技术对于一些极端条件提出的各项需求，例如：高温的需求、高功率的需求、高压的需求、高频的需求、稳定性强的需求等。因此，碳化硅材料相对于前两代半导体材料可以很好的应用在多个领域之中，发展的前景较为明朗。以下针对碳化硅材料的性能优势进行了表格分析：

二、碳化硅器件在节能减排领域的应用

（一）光伏发电领域中应用碳化硅器件

节能减排政策的提出，光伏电池组件和逆变器凭借着成本逐渐降低、应用广泛、清洁低碳功能等优势，将成为未来清洁低碳能源体系的主要构成。光伏电池借助逆变器赋予了自身强大的兼容性，成为与电网的接口。逆变器对于保障光伏发电系统的高效运转等发挥出了重要作用。目前，伴随着光伏发电政策的提出，光伏逆变器在使用功能上需不断提升，如：高功率密度、高效性、可靠性、低成本方面。现在节能减排领域中使用的光伏逆变器主要为Si器件，未来在不断增强光伏逆变器性能方面，Si器件将广泛应用到逆变器之中，这也成为必然的发展趋势。

从目前使用的逆变器（组串式的逆变器），主要应用两级结构。逆变电路使用之前的电路为 DC-DC升压电路，应用Boost拓扑结构，这样做的目的就是能够使光伏电池在输出电压范围的适应性上变得更加强大。直流电路的输入电压为：450 V～1000 V，Si MOSFET的耐压程度在1000 V左右。光伏逆变器在选择器件上主要以IGBT器件为主，但是受该器件拖尾电流带来的直接影响，造成的耗损较大，表现为器件开关方面的耗损。但是从Sic MOSFET器件的使用上可以看出，其耐压程度在1200V-1700V左右，工作的频率相对于Si器件的30kHz，其提升到了100kHz。由此可见，Sic MOSFET器件在应用时可以取代之前使用的Si MOSFET器件，其在耗损、提升开关频率方面具有明显的优势。

另外，现在应用的Sic MOSFET器件结温温度在225℃，Si器件结温温度在175℃，两者相比，Sic器件应用了冷却的方式，主要取决于其较高的工作结温和较低的耗损，这就在一定程度上提升了该器件的使用寿命。并且还能使散热器的体积或者重量等降低，使功率密度得到明显提升。而开关频率逐步提高等进一步增强了电能的质量，达到节能减排的效果。

从目前市场中开发的Sic MOSFET器件和Sic二极管的Boost 升压电路来看，其逆变器转换率从之前的98.5% 提高到 98.8%，体积也与之前明显减小。市场中推出的Sic光伏逆变器产品，对于4.4kW的逆变器来看，转换效率也高达98%。

（二）碳化硅器件在特高压输电领域中的运用

特高压输电在进行电网输送电力方面发挥着重要的作用。新能源发电、输变电环节之中使用的关键器件就是功率器件，受到硅基功率器件在电压或者功率方面的影响，大电压或者大功率成为主要限制因素。如果使用传统的硅基器件，需要进行多级子单元串联，这就导致该装置不仅无法提升自身的可靠性，并且还会增加一定的成本，产生较大的耗损。特高压输电领域之中应用碳化硅器件后，其耗损出现了明显的降低。电力转换装置中应用了碳化硅器件，使得该装置同时具备效率高、频率快、电能质量好等方面的优势，其对促进电力系统的改革等将发挥出翻天覆地的变化。同时，碳化硅主要应用宽禁带材料，即便在高耐压的情况下也能实现较小的导通电阻，例如：1700v Sic MOSFET设计简单，开关损耗低，可以应用于高母线电压系统的辅助电源开关。

伴随着分布式发电系统的逐步发展，固态的变压器成为主要的技术之一，其以电子电力技术为核心而成的变压装置，借助电力电子变流器、高频变压器等，能够有效将电力系统之中的电压进行转变，传递能力，控制能量。相对于传统使用的工频变压器，具体重量轻、体积小的优势，同时还在功率因数上、供电质量上、无功补偿方面、自动监控方面具有明显的优点。固态变压器出入的侧电压等级相对较高，目前主要使用的方式为器件串联的方式，在结构上较为复杂。因此，新兴的碳化硅器件，尤其是目前开发使用的15KV碳化硅IGBT和MOSFET更具可靠性，结构也比较简化，可以在未来光伏发电领域之中推广和应用。

（三）其他应用领域中碳化硅器件的应用和发展

碳化硅器件除了应用在以上领域，还被应用在工业电机领域中，其也发挥着节能减排的作用，其中能耗可以降低30%-50左右。服务器电源领域中应用碳化硅器件，可以有效降低成本，增强建设的效率，保障服务器电源的功率密度或者工作效率等得到明显的提升。通信领域中应用碳化硅器件，可以使信号传输的效率得到明显提升、传输信号具备一定的安全性和稳定性，从而降低后期维修的成本。家电领域中应用碳化硅器件，尤其是空调的碳化硅SBD不受高温的影响，可以稳定运行，功率也会受到因数校正的影响效率得到明显提升，即提升0.7%-1%左右。

结束语

未来的很长一段时间内，碳化硅器件凭借其优势和明显的特征，将拥有更为广阔的发展前景。因此，各个领域应该结合自身对于相关器件的需求，研发出各个领域需求的先进技术，并在充分掌握碳化硅器件的性能基础上，全面落实节能减排工作，为达到“碳中和”乃至“碳净零”的目标做出巨大的努力。

参考文献

[1]宁圃奇，郑丹，康玉慧，陈永胜，崔健，张栋，李晔，范涛.SiC车用电机驱动研究发展与关键技术[J].电子与封装，2022，22（03）：4-14.

[2]麦玉冰，谢欣荣.第三代半导体材料碳化硅（SiC）研究进展[J].广东化工，2021，48（09）：151-152+155.

[3]盛况，任娜，徐弘毅.碳化硅功率器件技术综述与展望[J].中国电机工程学报，2020，40（06）：1741-1753.

[4]王学梅.宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J].中国电机工程学报，2014，34（03）：371-379.