倾佳电子推动混合逆变器市场从IGBT向碳化硅MOSFET分立器件转型的研究报告

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！

倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势！

 

1. 行业背景与技术转型的必然性

在全球能源结构转型的宏大叙事中，电力电子技术扮演着至关重要的角色。特别是随着分布式光伏与储能系统的深度融合，混合逆变器（Hybrid Inverter）作为连接光伏组件、蓄电池组与交流电网的核心枢纽，其性能直接决定了整个微网系统的能源利用效率与稳定性。长期以来，硅基绝缘栅双极晶体管（Si IGBT）凭借其成熟的工艺和成本优势，在这一领域占据了主导地位。然而，随着混合逆变器向着更高功率密度、更高开关频率以及双向能量流动的方向演进，硅材料的物理极限逐渐成为制约行业发展的瓶颈。

深圳基本半导体股份有限公司（以下简称“基本半导体”或“BASiC Semiconductor”）作为中国第三代半导体行业的领军企业，凭借其在碳化硅（SiC）材料与器件领域的深厚积累，正在引领一场深刻的器件革命。本报告将深入剖析基本半导体如何通过技术创新、产品迭代与应用方案的优化，推动混合逆变器市场从传统的IGBT分立器件全面转向高性能的碳化硅MOSFET分立器件。

1.1 硅基IGBT在现代混合逆变器中的局限性

要理解基本半导体的贡献，首先必须深刻认识传统IGBT在应对新一代混合逆变器需求时的乏力。混合逆变器不同于传统的单向光伏逆变器，它需要同时处理光伏侧的MPPT升压、电池侧的DC-DC双向充放电以及网侧的DC-AC双向变换。

在物理特性上，IGBT作为双极型器件，其关断过程伴随着严重的少子复合延迟，导致明显的拖尾电流（Tail Current）。这一物理现象直接限制了IGBT的开关频率通常只能维持在20kHz以下。若强行提高频率，开关损耗（Eoff​）将呈指数级上升，导致严重的热失控风险。在混合逆变器中，低开关频率意味着必须采用体积庞大、重量沉重的磁性元件（电感、变压器）来滤除低频纹波，这与当前追求轻量化、紧凑化的系统设计理念背道而驰。

此外，IGBT的导通特性表现为由PN结决定的固定压降（VCE(sat)​），通常在1.5V至2.0V之间。这导致在轻载条件下——即混合逆变器大部分时间工作的工况——其导通损耗占比过高，严重拉低了系统的加权效率（如欧洲效率或加州效率）。

1.2 碳化硅材料的物理优势与基本半导体的切入点

基本半导体敏锐地捕捉到了上述痛点，并依托碳化硅材料的优异特性展开了针对性的产品研发。根据基本半导体的技术资料显示，碳化硅材料的禁带宽度是硅的3倍，临界击穿场强是硅的10倍，热导率是硅的3倍 。




这些基础物理属性的提升，被基本半导体转化为具体的器件性能优势：

  1. 高耐压与低阻抗的统一：由于击穿场强高，基本半导体能够设计出漂移层极薄的高压MOSFET，从而在实现650V至1700V高耐压的同时，将导通电阻（RDS(on)​）降至毫欧级别。
  2. 高速开关能力：碳化硅作为单极型器件，不存在少子存储效应，因此基本半导体的SiC MOSFET消除了拖尾电流，使得开关频率轻松突破50kHz甚至100kHz，从而大幅减小了无源元件的尺寸。
  3. 优异的热管理：高热导率配合基本半导体先进的封装工艺，使得器件在高温环境下仍能维持稳定的电气性能，降低了散热系统的复杂度和成本。

2. 基本半导体碳化硅MOSFET分立器件的产品矩阵与技术突破

基本半导体并非仅仅提供单一的替代产品，而是构建了一个覆盖全电压等级、全电流范围且包含多种封装形式的庞大产品矩阵，旨在为混合逆变器提供全方位的“去IGBT化”解决方案。



2.1 第三代SiC MOSFET（B3M系列）：性能的全面跃升

基本半导体推出的第三代碳化硅MOSFET（B3M系列）是其技术实力的集中体现。该系列产品在品质因数（FOM）、开关损耗和可靠性方面均达到了行业顶尖水平。

2.1.1 650V/750V低压侧的高效转换方案

在混合逆变器的光伏MPPT升压级或电池DC-DC级，650V-750V电压等级的器件需求巨大。

  • B3M040065Z (650V 40mΩ) ：这款器件采用了TO-247-4封装，并在栅极驱动电压 VGS​=18V 时实现了典型的40mΩ导通电阻 1。值得注意的是，其输入电容 Ciss​ 仅为1540pF，总栅极电荷 Qg​ 仅为60nC 。相比同电流等级的IGBT，其栅极驱动功率需求降低了数倍，极大地减轻了驱动电路的负担，提升了系统的整体响应速度。此外，其反向恢复时间 trr​ 仅为11ns ，这对于采用图腾柱PFC或LLC拓扑的混合逆变器而言，意味着可以显著降低硬开关条件下的反向恢复损耗。
  • B3M010C075Z (750V 10mΩ) ：针对更高功率密度的需求，基本半导体推出了这款750V器件。其最大的亮点在于极低的导通电阻——典型值仅为10mΩ 。在25°C壳温下，其连续漏极电流 ID​ 高达240A 。这种大电流能力使得在大功率工商业储能系统中，单管即可替代传统的IGBT模块，或者大幅减少并联器件的数量。更为关键的是，该器件采用了**银烧结（Silver Sintering）**工艺，将其结壳热阻 Rth(jc)​ 压低至0.20 K/W 1。这一数据远优于传统焊料工艺的封装，确保了在大电流工作时芯片热量能够极速导出，避免热积聚导致的失效。

2.1.2 1200V中高压侧的主流替代方案

随着直流母线电压的提升，1200V器件成为三相混合逆变器的主力。基本半导体在此电压等级布局了多款重磅产品。

  • B3M013C120Z (1200V 13.5mΩ) ：这是一款具有里程碑意义的产品。其导通电阻低至13.5mΩ，能够在25°C下承载180A的连续电流，在100°C高温下仍能承载127A 。这一性能指标直接对标大功率IGBT模块。其脉冲漏极电流 ID,pulse​ 高达360A ，足以应对逆变器启动或负载突变时的冲击电流。同样采用了银烧结技术，热阻控制在0.20 K/W 1。在开关特性方面，其 Eon​ 和 Eoff​ 分别为1200μJ和530μJ（在800V/60A工况下），极低的关断损耗彻底解决了IGBT的高频瓶颈。
  • B3M015E120Z (1200V 15mΩ) ：该器件在175°C结温下的导通电阻仅上升至24mΩ ，表现出极低的正温度系数。相比之下，硅基IGBT在高温下的压降增加往往更为剧烈且伴随着更严重的开关损耗增加。SiC MOSFET的这一特性保证了混合逆变器在恶劣高温环境下的输出能力不打折扣。其体二极管的反向恢复电荷 Qrr​ 仅为380nC ，远低于同规格IGBT配合的FRD（快恢复二极管），使得该器件非常适合用于同步整流应用。
  • B3M020120ZL (1200V 20mΩ) ：为了解决高压应用中的爬电距离问题，基本半导体推出了带有“L”后缀的TO-247-4L封装。该封装优化了引脚间距，增加了漏极与源极之间的高压爬电距离，提升了系统的安规可靠性。该器件在1200V耐压下仍保持了20mΩ的低阻抗 ，是追求高可靠性工业级混合逆变器的理想选择。

2.1.3 1400V/1700V超高压侧的前瞻布局

针对更高压储能系统，基本半导体提前布局了超高压分立器件，填补了IGBT在高频高压领域的空白。

  • B3M010140Y (1400V 10mΩ) ：这款器件堪称“性能怪兽”。在1400V的超高耐压下，实现了惊人的10mΩ导通电阻，并且在25°C下支持高达256A的连续电流 。它采用了TO-247PLUS-4封装，相比标准TO-247封装具有更大的散热面积和更低的引线电阻。这款器件的出现，使得在兆瓦级光伏逆变器中采用分立器件并联方案成为可能，极大地挑战了传统IGBT模块的地位。
  • B3M020140ZL (1400V 20mΩ) ：作为1400V系列的补充，该器件提供了更好的性价比选择，适用于对电流要求稍低但对耐压要求极高的辅助电路或多电平拓扑中 。
  • B2M600170H (1700V 600mΩ) ：虽然导通电阻较大，但这款1700V的器件专为辅助电源（Auxiliary Power Supply）设计。在混合逆变器系统中，除了主功率回路，还需要从高压直流母线取电为控制电路供电。传统的硅MOSFET在1500V以上耐压时导通电阻极大，且效率低下。B2M600170H凭借SiC的高耐压特性，完美解决了这一痛点，简化了反激式开关电源的设计 。

2.2 封装技术的深度创新

基本半导体的贡献不仅在于晶圆设计，更在于将先进的封装技术引入分立器件，解决了SiC芯片“热得快（功率密度高）、跑得快（开关速度快）”带来的封装瓶颈。

2.2.1 银烧结技术（Silver Sintering）的工业化普及

在传统的功率器件封装中，芯片与铜底板之间通常采用锡铅焊料连接。然而，焊料的热导率仅为50 W/m·K左右，且在高温循环下容易发生疲劳裂纹。基本半导体在 B3M010C075Z、B3M013C120Z 等核心大功率型号中，全面引入了银烧结工艺 。

银烧结层由纳米银粉在低温高压下烧结而成，形成纯银的连接层。银的热导率高达400 W/m·K以上，是焊料的8倍。这一革命性的工艺改进，使得分立器件的结壳热阻 Rth(jc)​ 大幅降低。例如，B3M010C075Z 的热阻仅为 0.20 K/W 。这意味着在同样的散热条件下，基本半导体的器件可以输出更大的电流，或者在同样的输出电流下，芯片结温更低，寿命更长。这一技术通常仅见于昂贵的车规级功率模块，基本半导体将其下放到工业级分立器件中，是对混合逆变器热管理技术的一次巨大贡献。

2.2.2 开尔文源极（Kelvin Source）的标准配置

在SiC MOSFET的高速开关过程中（di/dt 可达数千安培每微秒），源极引线上的寄生电感会产生感应电动势。在传统的TO-247-3封装中，这个感应电动势会反馈到栅极驱动回路，减缓开关速度并增加开关损耗，甚至导致误导通。

基本半导体在几乎所有高性能B3M系列产品中（如 B3M040065Z, B3M013C120Z, B3M020140ZL等）均采用了 TO-247-4 或 TO-247PLUS-4 封装 1。这些封装引入了独立的第4引脚——开尔文源极（Pin 3）。

  • Pin 3 (Kelvin Source) ：作为栅极驱动回路的参考地，不流过主功率电流。
  • Pin 2 (Power Source) ：专门流过主功率电流。

这种物理上的解耦彻底消除了公共源极电感对驱动回路的负面影响，使得SiC MOSFET能够充分释放其纳秒级的开关潜能。数据表明，采用开尔文源极封装可以将开关损耗降低30%以上，这对于追求极致效率的混合逆变器至关重要。

3. 分立器件“模块化”：重构混合逆变器系统架构

基本半导体对行业的另一大贡献，在于通过高性能的分立器件，推动了“去模块化”的系统架构变革。在传统的100kW以上大功率变流器设计中，工程师习惯于使用IGBT功率模块。然而，基本半导体的产品特性使得分立器件并联方案在成本、灵活性和性能上展现出超越模块的优势。

3.1 125kW工商业PCS的颠覆性设计

在基本半导体的官方推荐方案中，针对 125kW工商业储能变流器（PCS） ，明确提出了全分立器件的拓扑设计 。

传统痛点：使用IGBT模块虽然接线简单，但模块内部芯片集中，热点效应显著，对散热器均温性要求极高。且模块一旦损坏，需整体更换，维修成本高昂。

基本半导体方案：推荐采用 B2M020120ZN进行多管并联。

  • 热学优势：将热源分散到48个点，极大地降低了散热器的热阻设计难度，避免了局部过热。
  • 供应链韧性：分立器件是标准化产品，产能扩充快，不易受单一模块型号缺货的影响。
  • 维修便利性：单管失效仅需更换单管，运维成本大幅降低。
  • 性能提升：结合SiC的高频特性，可以将PCS的开关频率从IGBT时代的几千赫兹提升至几十千赫兹，大幅缩小了滤波电感LCL的体积和重量，实现了系统级的降本增效。

3.2 大电流分立器件使能“板上集成”

要实现分立器件替代模块，前提是单管电流必须足够大，以减少并联数量。基本半导体的 B3M010140Y（256A）和 B3M010C075Z（240A）就是这一理念的杰作 。在几十千瓦甚至上百千瓦的系统中，过去可能需要并联10个普通的MOSFET，现在仅需并联2-3个B3M010140Y即可。这极大地简化了PCB布局，降低了环路电感，使得“板上集成（On-Board Integration）”成为可能，逆变器不再需要复杂的母排连接，结构更加紧凑。

3.3 充电桩与APF领域的协同效应

除了光储逆变器，基本半导体还将这一理念推广到了相关领域：

  • 60kW充电桩电源模块：推荐使用SiC MOSFET构建三相LLC谐振变换器 。利用SiC的低开关损耗，提升谐振频率，实现高功率密度。
  • 有源电力滤波器（APF） ：在50A/75A/100A不同电流等级的APF中，分别推荐了不同规格的分立器件或模块 。SiC的高频开关能力对于APF至关重要，因为它需要快速响应电网中的高次谐波，频率越高，补偿带宽越宽，滤波效果越好。

4. 可靠性与车规级基因的工业溢出

从成熟的IGBT转向新兴的SiC MOSFET，客户最大的顾虑在于长期可靠性。基本半导体利用其在汽车电子领域的深厚积累，建立了极为严苛的质量验证体系，消除了市场的后顾之忧。

4.1 严苛的可靠性测试标准

根据 B3M013C120Z 的可靠性试验报告 ，基本半导体的产品通过了远超一般工业标准的测试：

  • HTRB（高温反偏试验） ：在 Tj​=175∘C，VDS​=1200V 的极限条件下持续测试1000小时 。这验证了器件在长期承受高压阻断状态下的晶体缺陷稳定性和漏电流控制能力，对于逆变器夜间不发电但仍需并网待机的工况具有重要参考意义。
  • H3TRB（高温高湿反偏试验） ：在 Ta​=85∘C，RH=85%，VDS​=960V 环境下测试1000小时 。混合逆变器常安装于户外，面临高湿挑战。该测试证明了基本半导体封装的密封性和抗离子迁移能力，防止因受潮导致的绝缘失效。
  • IOL（间歇运行寿命试验） ：ΔTj​≥100∘C，循环次数高达15000次 1。这模拟了逆变器在每天日出日落、负载波动过程中经历的剧烈温度变化。通过此测试意味着器件内部的键合线、焊料层能够承受长期的热胀冷缩应力而不发生断裂或分层。

4.2 车规级技术的下放

基本半导体是一家深度涉足汽车级市场的企业，拥有IATF 16949认证的制造基地，并获得了车企的定点 。公司采取了“降维打击”的策略，将车规级的技术和管控体系应用到工业级分立器件中。

例如，银烧结技术最初是为满足电动汽车主驱模块的高散热需求而开发的，现在被基本半导体标配到了工业级分立器件中。这种技术溢出使得混合逆变器客户能够以工业级的价格享受到车规级的可靠性，极大地增强了客户采用SiC器件的信心。

5. 供应链韧性与国产化替代

在当前的国际贸易环境下，供应链的安全稳定至关重要。基本半导体通过垂直整合的IDM模式雏形，为混合逆变器厂商提供了坚实的保障。

5.1 本土化的制造布局

基本半导体建立了完善的国内制造体系：

深圳：拥有6英寸碳化硅晶圆制造基地 。

深圳/无锡：拥有车规级模块封装基地 。

这种从芯片制造到封装测试的全流程掌控，使得基本半导体在面对市场波动时具有更强的交付能力，避免了纯设计公司（Fabless）在晶圆代工产能紧缺时受制于人的被动局面。




5.2 强大的产业生态

基本半导体的股东背景包括行业巨头 。这些战略合作伙伴不仅提供了资金支持，更在技术研发和质量管理上提供了深度协同。这种产业生态的支撑，使得基本半导体成为了国产替代的首选品牌，帮助国内混合逆变器厂商降低了对进口IGBT（如英飞凌、安森美）的依赖风险。

6. 数据驱动的深入分析：SiC MOSFET vs IGBT

为了更直观地展示基本半导体产品对混合逆变器性能的提升，我们基于数据手册中的关键参数进行深入对比分析。

6.1 导通损耗与热稳定性分析

参数指标基本半导体 SiC MOSFET (如 B3M010C075Z)典型 IGBT (同电流等级)对混合逆变器的影响导通特性纯电阻性 (RDS(on)​=10mΩ) VCE(sat)​≈1.5V + 斜率电阻SiC优势：在轻载/半载（如家庭夜间用电）下，无膝点电压，效率显著高于IGBT。高温特性175∘C 时 RDS(on)​ 增加约2倍 压降随温度增加，且 Eoff​ 剧增SiC优势：SiC的高温性能更稳定，允许系统在高温环境下减少降额，提升实际发电量。体二极管VSD​≈3.6V, Qrr​=460nC 需并联FRD，反向恢复损耗大SiC优势：SiC体二极管反向恢复极快，适合双向DC-DC充放电电路，减少死区时间。

6.2 开关损耗与频率提升分析

以 B3M013C120Z 为例，其在800V/60A下的 Eoff​ 仅为530μJ 。而同规格的IGBT在同样工况下，由于严重的电流拖尾，关断损耗通常在数毫焦耳（mJ）级别，是SiC的5-10倍。

  • 直接后果：IGBT只能工作在15-20kHz。
  • SiC变革：基本半导体的MOSFET允许将频率提升至40-60kHz。根据电磁感应定律，变压器体积与频率成反比。这意味着混合逆变器的核心磁性元件体积可以缩小一半以上，直接降低了铜材和磁芯的成本，同时也减小了整机体积，降低了物流和安装成本。

7. 结论

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：

倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：

新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；

交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；

数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。

公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。

 

综上所述，基本半导体在混合逆变器市场从IGBT向碳化硅MOSFET转型的历史进程中，发挥了不可替代的推动作用。

  1. 技术引领：通过推出 B3M系列第三代SiC MOSFET，利用低 RDS(on)​、低 Qrr​ 和高速开关特性，从物理底层攻克了IGBT的效率和频率瓶颈。
  2. 封装革命：创造性地将 银烧结 和 开尔文源极 技术应用于分立器件，解决了SiC应用中的热学和电磁学难题，释放了芯片的极致性能。
  3. 架构重构：通过 大电流分立器件（如256A的B3M010140Y） ，使得“分立器件并联替代模块”成为现实，为厂商提供了更低成本、更高灵活性的系统架构选择。
  4. 可靠性护航：以 车规级 的质量标准和严苛的可靠性测试（HTRB/H3TRB/IOL），建立了市场对SiC分立器件寿命的信心。
  5. 产能保障：依托 IDM模式 和强大的国产供应链生态，确立了供应安全，加速了国产化替代的步伐。

基本半导体的这些贡献，不仅提升了单一器件的性能，更从系统层面推动了混合逆变器向着“高能效、高密度、高可靠、低成本”的终极目标迈进。随着其技术的持续迭代和产能的进一步释放，预计在未来的光储充一体化网络中，基于基本半导体方案的SiC MOSFET将成为绝对的主流选择。

技术沙龙

还没有评论，抢个沙发！