導(dǎo)讀

SiC器件的主要用途是車(chē)載設(shè)備。SiC器件可以使純電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)的電機(jī)控制系統(tǒng)損失的功率降低到1/10，實(shí)現(xiàn)低功耗化；同時(shí)，能將新能源汽車(chē)的效率提高10%，使用SiC工藝生產(chǎn)的功率器件的導(dǎo)通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，并可耐受更高的環(huán)境溫度。SiC器件隨著成本不斷降低，已經(jīng)進(jìn)入普及階段。

未來(lái)十年內(nèi)SiC車(chē)規(guī)級(jí)功率器件將有更大的空間。2018年全球新能源乘用車(chē)共銷(xiāo)售200.1萬(wàn)輛，其中中國(guó)市場(chǎng)占105.3萬(wàn)輛，超過(guò)其余國(guó)家總和，成長(zhǎng)空間廣闊。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年全球新能源車(chē)銷(xiāo)量將達(dá)到400萬(wàn)輛，2025年達(dá)到1200萬(wàn)輛，2030年達(dá)到2100萬(wàn)輛。

1.SiC在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用

續(xù)航里程和充電時(shí)間仍然是制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要因素，智能化、輕量化、集成化將是電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，而SiC器件將成為加速電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的重要助力，SiC在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用如下所示：

（1）功率交換器：采用寬禁帶器件可以提高功率變換器高溫工作下的可靠性，減小散熱系統(tǒng)的體積。傳統(tǒng) Si 基變換器的損耗較大，對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求較高。

在電動(dòng)汽車(chē)中，引擎部分需要冷卻系統(tǒng)保持其溫度在 105℃，而功率變換器部分則要求冷卻系統(tǒng)使其溫度在 70℃左右，為了使兩部分正常工作，必須采用兩套冷卻系統(tǒng)以滿足不同的要求。這大大增加了電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的體積。SiC功率器件工作結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到了361℃，因此，采用寬禁帶器件構(gòu)成的功率變換器可在更高的環(huán)境溫度下正常工作，可將引擎冷卻系統(tǒng)與功率變換器的系統(tǒng)合二為一，大大減小功率變換器的體積。

（2）電池充電器：電池充電器是電動(dòng)汽車(chē)中的重要部分，主要由AC/DC變換器和DC/DC變換器構(gòu)成的PFC變換器組成。PFC變換器的工作頻率決定了輸出濾波電感和電容的紋波電壓、紋波電流。采用寬禁帶器件可以顯著提高變換器的工作頻率，從而減小濾波電感和電容的體積，降低電壓、電流紋波，提高電感和電容工作的可靠性。無(wú)源元件體積的減小意味著整個(gè)變換器體積的減小，功率密度的提高。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：電動(dòng)汽車(chē)中主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器拓?fù)溆卸喾N，其中最常用的是兩電平三相電壓源型逆變器。據(jù)研究，采用SiC器件可顯著降低損耗。其中，SiC BJT 構(gòu)成的逆變器損耗降低了53%；當(dāng)頻率升高時(shí)，損耗還會(huì)進(jìn)一步降低，開(kāi)關(guān)頻率為 15 kHz 時(shí)，SiC BJT逆變器的損耗降低了67%。

2.SiC器件與Si器件性能比較

（1）SiC材料和Si材料性能比較?；趯捊麕Р牧现圃斓?a target="_blank">電力電子器件具有 Si 器件無(wú)法相比的電氣性能。SiC材料禁帶寬度是Si的3倍左右：SiC器件能夠承受更高的工作溫度和較高的工作電壓；SiC材料具有更高的電子飽和漂移速度：電子飽和漂移速度與最終元件的開(kāi)關(guān)性能有關(guān)，參數(shù)越高，器件的最大開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗頻率越小，如SiC廣泛應(yīng)用于音頻放大器中；臨界電場(chǎng)越高，承受的擊穿電壓越高，這是SiC廣泛應(yīng)用于高鐵、電網(wǎng)等領(lǐng)域的原因；更高的導(dǎo)熱系數(shù)可以使寬禁帶電源開(kāi)關(guān)以更安全的方式達(dá)到更高的溫度。SiC材料和Si材料性能對(duì)比如表1所示。

（2）SiC晶體管和Si-IGBT性能比較。的仿真結(jié)果表明，與IGBT相比，SiC模塊的功率損耗降低了約75％；整個(gè)SiC模塊的最終模塊尺寸為100 mm x 170 mm x 14 mm，與IGBT相比減小了25％。由于更大的芯片尺寸限制了并聯(lián)，將Rg集成到SiC MOSFET結(jié)構(gòu)中，使模塊進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)比結(jié)果如表2所示。

（3）意法半導(dǎo)體4kW DC/DC模塊性能對(duì)比。4kW DC / DC升壓轉(zhuǎn)換器上SiC MOSFET和Si IGBT之間的性能比較測(cè)試結(jié)果如表3所示。結(jié)果證明基于SiC的解決方案可以實(shí)現(xiàn)與基于IGBT的解決方案相同的電氣性能，并且開(kāi)關(guān)頻率高出4倍，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

3.SiC在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用進(jìn)展

從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話語(yǔ)權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。

在SiC應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)方面，SiC肖特基二極管器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高端電源市場(chǎng)，包括PFC、光伏逆變器和高端家電變頻器。以SiC的龍頭企業(yè)美國(guó)科銳、德國(guó)英飛凌、日本羅姆等半導(dǎo)體巨頭公司為代表的功率器件公司逐步推出SiC金屬一氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)產(chǎn)品。其中日本企業(yè)在SiC應(yīng)用推廣上更加積極，不斷推出SiC二極管和MOSFET的功率模塊，并在電動(dòng)汽車(chē)和軌道交通上不斷進(jìn)行應(yīng)用研究，目前已經(jīng)取得了明顯的成就。

據(jù)了解，除了特斯拉最新的Model3車(chē)型采用SiC MOSFET來(lái)提升電驅(qū)系統(tǒng)的工作效率及充電效率外，歐洲的350KW超級(jí)充電站也正在加大SiC器件的采用。而在國(guó)內(nèi)，比亞迪、北汽新能源等車(chē)企也在加碼SiC器件在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要以汽車(chē)充電樁場(chǎng)景應(yīng)用為主。

4.結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，新能源汽車(chē)行業(yè)上普遍認(rèn)為電池是新能源汽車(chē)的技術(shù)瓶頸，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)，充電系統(tǒng)中的新技術(shù)認(rèn)識(shí)不足。實(shí)際上在汽車(chē)電力電子技術(shù)上，我國(guó)很多技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈空白，建立在現(xiàn)代功率半導(dǎo)體（IGBT和MOSFET等）基礎(chǔ)上的電子電路、芯片和模塊幾乎全都依賴進(jìn)口。目前，以碳化硅、氮化鎵等為代表的第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，然而在這些領(lǐng)域，我國(guó)在其應(yīng)用研發(fā)上明顯落后于國(guó)外，國(guó)內(nèi)企業(yè)還有較長(zhǎng)的路要走。

審核編輯：湯梓紅