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本文的關鍵要點

?要想實現(xiàn)碳中和，就需要進一步提高DC-DC轉換器等功率轉換系統(tǒng)的效率。

?集IGBT和SiC肖特基勢壘二極管于一身的“Hybrid IGBT”，可同時實現(xiàn)高效率和低成本，有助于實現(xiàn)適用于更多應用的功率轉換系統(tǒng)。

隨著無碳社會進程的加速，

對進一步降低功耗的需求不斷增長

在現(xiàn)代社會，工廠的工業(yè)產品生產活動和廠房的運轉等都會消耗大量的能源。然而，近年來，全球眾多國家和地區(qū)加快了實現(xiàn)碳中和的進程，這就要求各行各業(yè)的企業(yè)付出超出以往任的努力來應對去碳化。

2021年末召開的“聯(lián)合國氣候變化框架公約第26次締約方大會（COP26）”達成了“努力將全球平均氣溫升幅限制在工業(yè)革命前水平的1.5℃以內”的決議文件（圖1）。決議文件將6年前《巴黎協(xié)定》中1.5℃的“努力目標”升級為“必達目標”，“我們國家很難從化石燃料轉向可再生能源，希望延緩實現(xiàn)目標”之類的借口不再適用。未來，各國政府應該會陸續(xù)出臺減少溫室氣體（GHG）排放的具體政策和法規(guī)。特別是目前排放大量二氧化碳的汽車和工廠的生產活動，很可能成為需要減排的主要目標。

圖1 COP26將1.5℃目標從“努力目標”升級為“必達目標”

將這種情況反映在具體行動中的表現(xiàn)是全球已經有很多國家和地區(qū)開始執(zhí)行碳稅等“碳定價機制”，即將企業(yè)的二氧化碳排放量轉嫁到企業(yè)成本中的機制。根據(jù)世界銀行的數(shù)據(jù)，截至2021年4月10日，全球已經有46個國家和35個地區(qū)推行這種機制。特別是對于從事跨國業(yè)務的企業(yè)而言，已經進入了去碳化努力與公司產品的成本競爭力直接相關的時代。

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用電力驅動的設備和設施劇增，

當務之急是提升效率

在去碳化的努力中，經常被提及的是以所謂的“EV轉型”為中心的汽車電動化、以及使用由可再生能源產生的電能。但是，僅靠這些還不足以實現(xiàn)1.5℃的目標，而且去碳化努力也不止這些。

根據(jù)《2021年全球可再生能源現(xiàn)狀報告》的記載，全球能源消耗總量的32%與汽車等發(fā)動機驅動的運輸設備有關，17%為家庭和工廠等使用的電能（圖2）。實際上，從百分比來看，可以說目前因電力消耗而產生的二氧化碳排放量占比較少。剩下的51%則是讓工廠運轉的渦輪機、熱處理等所用的鍋爐等設備，通過燃燒化石燃料來使用熱能的。這部分也是去碳化難度較大的部分。

圖2 全球能源消耗總量的17%為電能資料來源：REN21，《Renewables 2021 Global Status Report (GSR)》

未來，全球的去碳化大致會按照如下戰(zhàn)略推進：首先，盡可能將能源消耗量大、燃燒化石燃料的相關運輸設備和利用熱能的領域轉為利用電能，并進行精細控制。該策略是將能源利用形態(tài)轉變?yōu)橐子诳刂频碾娔?。一般而言，比起一旦啟動就很難停止的發(fā)動機、渦輪機和鍋爐，用電能驅動的電機和加熱器更容易根據(jù)需求停止和運轉。除此之外，還會通過利用可再生能源發(fā)電、僅在必要時在最高效的條件下運行設備，來推動節(jié)電。也就是說，未來由電力驅動的設備、設施和工廠的數(shù)量將會急劇增加，這意味著希望以優(yōu)異的功率轉換效率運行的電氣設備和機電設備的數(shù)量將急劇增加。

在電動車輛（xEV）、工業(yè)用電機驅動裝置、太陽能發(fā)電廠的功率調節(jié)器、乃至工業(yè)設備和各種工廠的控制設備等應用中，會配備有車載充電器、DC-DC轉換器等各種功率轉換系統(tǒng)。然而，在功率轉換過程中總是存在著功率損耗。比如DC-DC轉換器，其轉換效率通常在80～95％左右。即使單次功率轉換時的效率較低，發(fā)電廠產生的電力通過傳輸和分配，到使用之前會經歷幾次功率轉換，最終有約1/3變?yōu)闊崃炕螂姶挪ǘ鴵p耗掉。從這個損耗量要通過增設發(fā)電廠數(shù)量來補償?shù)慕嵌瓤?，可以知道這個浪費有多么大。更大程度地減少損耗是推動去碳化的關鍵要點。

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而且，重要的是，提高電能利用率的解決方案，不僅需要更加高效的相關產品，還需要能夠適用于更多應用。這是因為，即使是可以大幅提高效率的技術，如果引進該技術所需的成本過高，其應用范圍就會受到限制，從而無法全面降低功耗。

利用SiC器件降低損耗，

利用混合器件提供優(yōu)質解決方案

降低功率轉換系統(tǒng)損耗的方法包括改進轉換電路的配置，以及采用工作時損耗低的功率器件。

近年來，IGBT等傳統(tǒng)的硅（Si）基功率器件已經開始逐漸被碳化硅（SiC）基的功率器件取代。與Si器件相比，SiC器件的導通電阻更低，在高溫、高頻、高電壓環(huán)境下的性能更出色。由于具備這些特點，SiC器件有望成為適用于多在嚴苛環(huán)境下使用的汽車和工業(yè)用功率轉換系統(tǒng)的下一代低損耗器件。

SiC器件在太陽能和風力發(fā)電設備中的DC-AC轉換器、電動汽車和混合動力汽車的車載充電器和功率轉換器、工業(yè)設備等的功率逆變器和電源、以及蓄電設備等中的應用正在不斷增加。在這種背景下，ROHM量產并供應650V/1200V耐壓的SiC肖特基勢壘二極管（SBD）、650V/750V/1200V/1700V耐壓的SiC MOSFET。

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目前很多功率轉換系統(tǒng)使用的是硅基IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管）或SJ-MOSFET（Super Junction Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，超級結金屬氧化物半導體場效應晶體管）作為開關器件。其中，IGBT具有生產成本低廉的優(yōu)點，但當其用于電機和線圈等感性負載時，需要續(xù)流二極管才能工作。另外，IGBT通常存在關斷損耗問題。SJ-MOSFET具有關斷損耗低的優(yōu)點，但其存在難以支持大功率的問題。而SiC MOSFET和SiC SBD組合使用，可以大幅提高功率轉換效率。但是，目前由于用來形成元件的襯底—SiC晶圓極其昂貴，因此現(xiàn)狀是其應用范圍受到限制。

要想積極推動去碳化，能夠適用于更廣泛的應用、并同時實現(xiàn)高效率和低成本的功率轉換系統(tǒng)解決方案是不可或缺的。針對這種需求，ROHM將適合降低成本的IGBT和能夠提高效率的SiC器件的優(yōu)點結合起來，打造出突破性的解決方案“Hybrid IGBT”。該解決方案使用SiC SBD作為IGBT續(xù)流二極管，可以大幅降低導通損耗。通過改善半橋配置中續(xù)流側器件（Low side）的關斷特性，改善了開關側器件（High side）的導通損耗。此外，開關器件元件本身采用了比SiC MOSFET更便宜的IGBT，因此可以降低成本，從而支持更廣泛的應用。

ROHMHybrid IGBT的性能和優(yōu)勢

IGBT的續(xù)流二極管需要選用適合IGBT特性的產品。只是用碳化硅基二極管取代現(xiàn)有的硅基二極管，效率改善效果并不能達到預期。ROHM的650V耐壓Hybrid IGBT“RGWxx65C系列”融合了IGBT和SiC SBD特性上的優(yōu)點，并實現(xiàn)了一體化封裝。由于已經在元器件層面優(yōu)化了需要進行精密電路設計的部分，因此用戶使用該系列產品可以輕松構建性價比高的功率轉換系統(tǒng)。

將RGWxx65C系列應用于車載充電器時，與以往的IGBT相比，損耗可降低67%；與SJ-MOSFET相比，損耗可降低24%（圖3）。在轉換效率方面，可以在更寬的工作頻率范圍確保97％以上的高效率，并且在100kHz的工作頻率下，效率可比IGBT高3％，而且，只需替換當前所用的配有IGBT的電路，即可實現(xiàn)這種效率提升效果。本系列產品還符合汽車電子產品可靠性標準“AEC-Q101”，即使在車載和工業(yè)設備等的嚴苛環(huán)境下也可以安心使用。

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可以說ROHM的Hybrid IGBT是有助于更多汽車和工廠的去碳化、應用效果非常出色的器件。