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  碳化硅促進(jìn)了電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展，使其成本更低，續(xù)航里程更長(zhǎng)，設(shè)計(jì)更寬敞，功率密度更高。與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)汽車不需要油箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，因此可以開(kāi)發(fā)更多的差異化設(shè)計(jì)，更有效地利用內(nèi)部空間，讓乘坐感覺(jué)更舒適。但由于車型有限、充電時(shí)間長(zhǎng)、快速充電基礎(chǔ)設(shè)施不足、價(jià)格昂貴等因素，純電動(dòng)汽車在全球新車銷售中的市場(chǎng)份額仍然很低。

  目前的市場(chǎng)上，SiC和IGBT仍然是各有 特點(diǎn)，本文分析它的技術(shù)差異，以及在主逆變器，OBC以及DC-DC轉(zhuǎn)換器中使用SiC所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

  材料和零部件成本高是純電動(dòng)汽車價(jià)格高昂的主要原因。如將電動(dòng)動(dòng)力總成定義為由電池、電機(jī)和逆變器組成，那么動(dòng)力總成約占純電動(dòng)汽車總成本的50%。在動(dòng)力總成方面，電池成本占比超過(guò)60%。也就是說(shuō)，電池成本占整車成本的35%以上。

  增加電力總成的功率密度是降低成本的一種方法。美國(guó)能源部制定了將高壓電力電子設(shè)備的功率密度提高7倍的目標(biāo)，直到2025年。然而，由于安裝空間有限，特別是對(duì)于高性能汽車，高功率密度更為必要。因?yàn)樵黾庸β拭芏瓤梢越档蛣?dòng)力總成部件的尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化車輛的室內(nèi)空間。

  目前，選擇硅IGBT該技術(shù)的功率模塊在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。然而，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，硅基功率裝置正接近材料極限。因此，很難進(jìn)一步提高其功率密度。

  因此，半導(dǎo)體行業(yè)一直在開(kāi)發(fā)寬禁帶功率器件，例如碳化硅 MOSFET。美國(guó)能源部制定的功率密度目標(biāo)正是基于寬禁帶功率器件的利用。

  寬禁帶功率器件比硅器件更昂貴，但因其功率組件的尺寸和重量減小，特別是在相同里程范圍內(nèi)可節(jié)省電池容量，因此能夠降低整體動(dòng)力總成成本。

  SiC 和Si技術(shù)特點(diǎn)差異分析

  碳化硅已成為功率器件中硅的替代材料。寬禁帶、更高的擊穿電場(chǎng)、提高的熱導(dǎo)率以及更高的工作溫度是碳化硅的4大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

  ●碳化硅的禁帶比硅大 3 倍，可轉(zhuǎn)化為高 10 倍的擊穿電場(chǎng)。如需設(shè)計(jì)有高電壓(通常為 1200V 或更高)的單極器件，例如 MOSFET，使用碳化硅則會(huì)受益良多。

  ●碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的 3 倍，與銅相似。因此，功率損耗產(chǎn)生的熱量可以以較小的溫度變化從碳化硅中傳導(dǎo)出去。

  ●由于較高的熔化溫度，理論上，碳化硅器件可以在 200°C 以上的溫度下良好運(yùn)行。因?yàn)槔鋮s需求顯著降低，因而可以顯著降低冷卻系統(tǒng)的成本。

  由于較高的擊穿電場(chǎng)，碳化硅器件具有更薄的漂移層或更高的摻雜濃度。因此，與相同擊穿電壓的硅器件相比，它們具有更低的電阻。

  碳化硅可用于設(shè)計(jì)單極器件，例如高壓 MOSFET，理論上不產(chǎn)生尾電流。因此，相比于硅 IGBT，碳化硅 MOSFET 有更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高性能的體二極管，從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)頻率。

  碳化硅器件可以在更高的溫度下運(yùn)行，可達(dá)到 200℃ 或更高。然而，封裝技術(shù)限制了最高工作溫度。為了使碳化硅運(yùn)行在高溫度，許多新封裝技術(shù)正在開(kāi)發(fā)中。

  碳化硅器件的芯片面積更小，產(chǎn)生的柵極電荷和電容也更小，可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度，降低開(kāi)關(guān)損耗。

  碳化硅 MOSFET 可以在高開(kāi)關(guān)頻率下工作，使磁性元器件更小，且功率損耗更低。低功率損耗與高工作溫度和高熱導(dǎo)率相結(jié)合，降低了冷卻需求，從而使得冷卻系統(tǒng)更小。在功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，高開(kāi)關(guān)頻率還可以減少輸出電容器。

  由于高擊穿電壓，在高壓應(yīng)用中(例如，高于 600V)使用碳化硅 MOSFET可以采用簡(jiǎn)化的拓?fù)?，而?IGBT 因?yàn)槠鋼舸╇妷和ǔＴ?650V 至 750V 的范圍內(nèi)，所選取的拓?fù)鋭t不盡相同。簡(jiǎn)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要更少的組件，即更少的電源開(kāi)關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器，以及在控制算法方面更少的設(shè)計(jì)工作量。

  單個(gè)碳化硅功率器件比硅等效器件成本更高，但使用碳化硅器件能夠節(jié)省系統(tǒng)成本，因?yàn)樾枰俚慕M件、更小的無(wú)源組件尺寸、更小的冷卻系統(tǒng)、相同里程范圍內(nèi)的更小的電池容量以及更少的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作量。

  SiC在主逆變器、OBC、DC-DC的應(yīng)用

  如上所述，碳化硅功率器件在功率密度、效率和冷卻工作方面具有顯著的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榕c硅 IGBT 相比，它們的損耗更低。在主逆變器、車載充電器 (OBC) 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器這些應(yīng)用中，碳化硅的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

  主逆變器不僅驅(qū)動(dòng)電機(jī)，還用于再生制動(dòng)并將能量回饋給電池。這意味著主逆變器確保了電池和電機(jī)之間的雙向能量傳輸。車載充電器是交流到直流電源轉(zhuǎn)換器，用于給電池充電。DC-DC 轉(zhuǎn)換器將能量從一個(gè)電壓等級(jí)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電壓等級(jí)。

  下圖顯示了一種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(高壓到低壓)，它將高壓電池的能量轉(zhuǎn)換為低壓的能量，為低壓電池充電并給 12V 電子系統(tǒng)供電。在其它電動(dòng)車輛中，例如基于燃料電池的車輛，還有其他類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

  碳化硅為主逆變器應(yīng)用帶來(lái)了更高的逆變器效率、更小的系統(tǒng)尺寸、更低的系統(tǒng)成本和更長(zhǎng)的行駛里程。車載充電器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器都是電源應(yīng)用，碳化硅為它們提供更高的開(kāi)關(guān)頻率FSW 、更高的效率、雙向操作、更小的無(wú)源元件、更小的系統(tǒng)尺寸和更低的系統(tǒng)成本。

  戴姆勒與英飛凌合作開(kāi)展了碳化硅在主逆變器系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)研究。該項(xiàng)研究采用了英飛凌車規(guī)級(jí)功率模塊 HybridPACK? Drive的封裝形式，一款是基于750V EDT2 IGBT 的技術(shù)，另外一款則采用了 1200V CoolSiC? 碳化硅MOSFET 技術(shù)。

  能耗的比較是集中在400V 和800V 的240千瓦電動(dòng) SUV上利用WLTP循環(huán)來(lái)進(jìn)行的。

  研究表明：在相同的行駛條件、行駛里程下，在配備了 1200V SIC MOSFET 的 400V 系統(tǒng)中，逆變器的能耗降低了 63%，從而在 WLTP 驅(qū)動(dòng)循環(huán)中節(jié)能 6.9%。

  在配備了 1200V SIC MOSFET 的 800 V系統(tǒng)中，逆變器能耗降低 69%，整車能耗降低 7.6%。碳化硅對(duì)車輛能耗的降低仍被低估，因?yàn)闆](méi)有考慮電池系統(tǒng)重量減輕的影響。

  那么，在成本方面碳化硅的使用又帶來(lái)哪些益處呢?碳化硅逆變器比硅等效物更昂貴。然而，根據(jù)前述能耗的降低，車輛系統(tǒng)效率提高，因此需要更少的電池容量。由于電池成本節(jié)省超過(guò)了碳化硅增加的成本，因此可節(jié)省高達(dá) 6% 的系統(tǒng)成本。

  車載充電器通常具有兩個(gè)單元：AC-DC 升壓拓?fù)洹肮β室驍?shù)校正”(PFC)單元，然后是隔離式 DC-DC 單元。PFC 可以通過(guò)多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如經(jīng)典升壓和圖騰柱。與經(jīng)典升壓拓?fù)湎啾?，圖騰柱 PFC 表現(xiàn)出更高的功率密度和效率，因?yàn)樗哂袩o(wú)橋 PFC，大大減少了二極管的數(shù)量。

  英飛凌也研究了碳化硅在 PFC 單元的益處。研究的器件是基于硅的 650V TRENCHSTOPTM F5 IGBT 和基于碳化硅的 1200V CoolSiC? MOSFET。

  在400V 輸出的 3.3 千瓦圖騰柱 PFC上進(jìn)行了功率損耗的比較。使用 1200V的碳化硅 MOSFET，功耗降低了 52%。然而，1200V 碳化硅器件的功耗仍被低估，因?yàn)閼?yīng)該與 650V 碳化硅器件進(jìn)行公平的比較。與 1200V 等效器件相比，650V 碳化硅器件具有更低的電阻和更低的傳導(dǎo)損耗。在任何情況下，碳化硅 MOSFET 都可以實(shí)現(xiàn)更高的效率。

  純電動(dòng)汽車中的高壓到低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器一般可轉(zhuǎn)換高達(dá)3KW功率高，效率高。必須將高壓電池與低壓系統(tǒng)隔離由于其效率高，隔離諧振轉(zhuǎn)換器是一個(gè)很好的應(yīng)用。

  DC-DC轉(zhuǎn)換器大部分時(shí)間都在部分負(fù)荷下工作。例如，10%到20%的負(fù)荷使部分負(fù)荷的效率成為關(guān)鍵。

  英飛凌高性能硅基CoolMOS?CFD7非常結(jié)MOSFET效率好。使用新一代。CoolSiC?技術(shù)可以進(jìn)一步提高效率，特別是在部分負(fù)荷下。

  以氫為能源的燃料電池電動(dòng)汽車是另一種具有巨大市場(chǎng)前景的汽車。燃料電池電動(dòng)汽車中有兩種類型的高壓DC-DC轉(zhuǎn)化器的應(yīng)用。

  在典型的燃料電池系統(tǒng)中，有一個(gè)DC-DC變壓器，用于將燃料電池堆的電壓變壓到逆變器系統(tǒng)供電。另一個(gè)。DC-DC雙向轉(zhuǎn)換器將電池能量輸送到逆變器系統(tǒng)，并利用電機(jī)的再生能量為電池充電。此外，燃料電池汽車還有類似于其他電動(dòng)汽車規(guī)格的逆變器系統(tǒng)。

  根據(jù)碳化硅功率器件的使用，可以改進(jìn)DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器系統(tǒng)的功率密度和效率。最后，客戶將受益于更少的氫消耗，因?yàn)闅涞膬r(jià)格仍然很高，或者使用相同數(shù)量的氫，汽車可以達(dá)到更長(zhǎng)的范圍。