为什么 SiC 是电动汽车的

汽车电气化是一个仍然存在许多汽车制造商关注的技术挑战的领域。面向可持续未来的动力总成系统和高压技术系统的电子设计师和工程师对实现更大的电动汽车续航里程、降低设计复杂性和外部组件成本感兴趣。通过降低复杂性和设计成本来限度地提高电动汽车的自主性是现代汽车愿景的主要目标。电动汽车生态系统深受碳化硅（SiC）电力电子器件的影响，这使得系统能够获得多种性能优势。

汽车行业正在经历技术变革阶段。事实上，从内燃机（ICE）汽车到电动汽车的演变正在迅速蔓延。与此同时，牵引逆变器系统和功率转换的半导体市场的创新有助于克服更广泛使用的关键障碍。在世界各地减少 CO 2排放法规的推动下，电动汽车将在 2030 年得到广泛采用。因此，牵引逆变器等高压应用的设计者如今面临着解决各种挑战，以优化系统效率和小空间内的可靠性。汽车研究进一步减少了组件并加快了使用 SiC EV 的高效系统的原型设计牵引逆变器参考设计。

如今，汽车制造商可以构建可靠的基于 SiC 的牵引逆变器和绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，并具有先进的 SiC 监控、保护和诊断功能以实现功能安全。一代高度集成的 SiC 栅极驱动器可限度地提高电动汽车的自主性。为了实现提高电动汽车自主性的目标，还需要设计更高效的牵引逆变器。汽车工程师必须设计更安全、更高效的牵引逆变器，以将电动汽车的行驶里程每年增加数千公里。SiC 栅极驱动器凭借其特性，使设计人员能够提高功率密度、降低系统设计复杂性和外部组件数量、降低成本、实现功能安全和整体性能方面的战略目标、限度地提高自主性并设计越来越高效的牵引逆变器。

借助 SiC 栅极驱动器，您可以在消耗更少功耗的同时完成更多任务。这使得它们成为适合多个市场的理想设备，尤其是当今汽车市场的需求，并在各种应用中具有优势。新型 SiC 栅极驱动器在提高功率密度、性能和安全性方面具有出色的特性。

高效的功率转换取决于系统中使用的功率半导体器件。由于功率器件技术的改进，高功率应用变得更加高效且尺寸更小。这些器件包括 IGBT 和 SiC MOSFET，它们具有高额定电压、高额定电流以及低传导和开关损耗，非常适合高功率应用。电压高于 400 V 的应用要求器件额定电压高于 650 V，以便为安全操作提供足够的空间。工业电机驱动、电动汽车和混合动力汽车、牵引逆变器和可再生能源太阳能逆变器等应用的功率水平从几千瓦到兆瓦甚至更高。

SiC MOSFET 和 IGBT 的应用具有非常相似的功率水平；然而，它们随着频率的增加而变化。SiC MOSFET 在功率因数校正电源、太阳能逆变器、电动汽车和混合动力汽车、电动汽车牵引逆变器、电机驱动和铁路中变得越来越普遍。另一方面，IGBT 在电机驱动、不间断电源、3 kW 以下的串式和中央太阳能逆变器以及电动汽车/混合动力汽车牵引逆变器中更为常见。

与硅 MOSFET 和 IGBT 相比，SiC MOSFET 还具有多项系统优势。首先，硅MOSFET和IGBT在功率转换器中的应用由来已久。然而，SiC MOSFET 作为一项新技术出现，由于其固有的材料特性，显示出超越其他器件的重要优势。事实上，宽带隙（WBG）材料具有非常有趣的特性。SiC 的材料特性直接转化为相对于使用 Si 器件的系统的系统级优势。主要优点包括减小尺寸、成本和重量。因此，SiC MOSFET 越来越多地取代硅功率器件。

功率器件材料的技术特性

Si MOSFET、Si IGBT 和 SiC MOSFET 用于功率应用，但在功率水平、驱动方法和工作模式方面有所不同。功率 IGBT 和 MOSFET 在栅极处采用电压驱动，因为 IGBT 内部是驱动双极结型晶体管的 MOSFET。由于 IGBT 的双极特性，它们能够以低饱和电压承载大量电流，从而实现低传导损耗。

MOSFET 还具有较低的传导损耗，但取决于器件的漏源导通电阻 (R DS(on) )。硅 MOSFET 承载的电流比 IGBT 少，因此 IGBT 用于高功率应用。MOSFET 用于高效率至关重要的高频应用。

对于SiC MOSFET，我们可以说它们在器件类型上与Si MOSFET相似。然而，SiC 是一种 WBG 材料，其特性使这些器件能够在与 IGBT 相同的高功率水平下运行，同时仍然能够高频开关。这些特性转化为重要的优势，包括更高的功率密度、更高的效率和更低的散热。随着功率水平的增加（例如，在驱动电动汽车电机的牵引逆变器中），由于高极限工作温度和允许的结温，IGBT 等硅功率器件的热管理变得更加复杂。这涉及将冷却组件集成到驱动系统中，尤其是功率水平可能超过 100 kW 的牵引逆变器中。然而，这些冷却部件增加了车辆的尺寸、重量和成本。相比之下，SiC 的允许结温要高得多。此外，对于给定的电池容量，SiC 断路器在牵引逆变器系统中的效率比 IGBT 提高了 10%。

SiC在汽车电力电子系统中的重要性

SiC 是第三代宽带半导体，近年来已成为一项成功的技术，有可能对可持续交通生态系统产生影响。使用 SiC 进行电源开关可以提高电动汽车动力系统的功率密度和开关效率。采用 SiC 可以带来多种优势，这些优势可以通过利用高度差异化的 SiC 材料特性来设计更高效、稳健和紧凑的推进系统来实现。

由此我们可以总结出基于SiC的电力电子技术的主要优势如下：

SiC 功率器件的电流密度比硅功率器件高出 5 倍。这可以实现更高的每芯片功率密度，从而实现更小的设备和更紧凑的封装。虽然研究不断通过增加电池容量（即能量密度）来降低电池成本，但电动汽车动力系统也通过减小尺寸、重量和成本来增加功率密度（定义为能量效率与整体尺寸的比率）。这是通过限度地使用 SiC 功率开关来实现的，特别是在推进系统中的车载充电器 (OBC) 和牵引逆变器中。

此外，基于 SiC 的功率器件还能够实现快 10 倍的开关频率，在牵引逆变器中至少高达 20 kHz，在 OBC 中高达数百千赫。在这些更高的频率下，电容器和电感器等无源元件的尺寸可以显着减小，从而实现更小的整体系统。SiC 可实现更高的耐压、功率和开关效率，简化大功率牵引逆变器的设计，并显着降低损耗。

电动汽车系统工程师面临的挑战是通过涉及功率转换和宽带隙半导体的创新来充分发挥高压技术的潜力。对电动汽车更高可靠性和更高功率性能的需求不断增长，因为效率提升对增加每次充电的行驶里程有直接影响。然而，考虑到大多数牵引逆变器已经以 90% 或更高的效率运行，电动汽车设计人员要实现效率的大幅提高仍然太困难。使用 SiC 进行电源开关可以提高电动汽车动力系统的功率密度和开关效率。

此外，基于碳化硅的电力电子器件使电动汽车能够实现更长的行驶里程、更快的充电速度和更低的总拥有成本。SiC 器件功率损耗的降低还可用于降低电池成本和尺寸。此外，更高的电压减少了电机绕组中对大量铜的需求，从而实现更小的电机设计。这些部件尺寸和重量的减小有助于降低电动汽车的成本，从而大大有助于电动汽车的成本平价，甚至比传统的内燃机汽车更好。对于给定的功率水平和电池容量，SiC 功率器件的尺寸可以更小，从而形成具有集成推进系统的电动汽车子系统集群。在设计层面，

总体而言，碳化硅电力电子技术正在产生巨大的影响。未来几年 SiC 的细分市场肯定是电动汽车，这表明 SiC 技术市场的增长速度将快于电动汽车市场。