全球向電動汽車的過渡導致了汽車行業的轉型，這是由于汽車原始設備制造商（OEM）對創造越來越高效和高性能的電動汽車的需求。寬帶隙半導體等電子技術在實現這些目標方面發揮著至關重要的作用。

電動和混合動力汽車越來越追捧既有效又經濟實惠的功率轉換技術。由于碳化硅（SiC）提供的優勢，寬帶隙（WBG）半導體在性能方面優于傳統硅，并將很快取代并超越傳統的硅基功率器件，尤其是用于電動汽車（EV）設計的功率器件。

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電動汽車設計挑戰

電動汽車的成功與高效率的實現密切相關。在電動汽車中，效率在滿載條件下（通常，當負載>90%時）達到其最大潛力。在城市駕駛中，負載可以降低到10%，再生制動等系統在將車輛效率提高多達30%方面起著至關重要的作用。

為此，應將安裝在EV中的所有電子元件和系統的功耗降至最低，同時尊重汽車行業施加的空間和重量限制。

汽車零部件必須滿足的其他具有挑戰性的要求包括高可靠性（百萬分之缺陷部件數量已達到個位數）和出色的熱管理。碳化硅是一種能夠滿足這些要求的半導體材料，取代并優于傳統的硅基功率器件，如MOSFET和IGBT。

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碳化硅在電動汽車中的應用

SiC 的臨界電場強度為 2.8 MV/cm，遠高于硅的臨界電場強度 （0.3 MV/cm），允許設計人員在半導體襯底上應用更薄的外延層，從而降低組件的表面電阻和功率損耗。此外，該特性允許SiC達到非常高的擊穿電壓，甚至只有幾kV量級。

因此，這些器件可以在遠高于傳統硅達到的頻率下進行有效切換。由于開關頻率較高，無源元件和磁性器件（如電感器）的尺寸也降低了。因此，系統的整體尺寸顯著減小，從而提高了功率密度。SiC 的寬帶隙和強大的導熱性進一步降低了系統重量和體積，可實現高溫操作和簡單的冷卻控制。

新的高性能和長距離電動汽車將基于SiC，因為傳統的硅基功率器件（如IGBT）無法進一步降低其功耗，重量和尺寸，這些都是提高效率的先決條件。此外，高壓電池即將從 400 V 過渡到 800 V，對所使用的功率器件提出了更嚴格的電壓要求。

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主要用途：主逆變器

SiC在電動汽車中的主要應用之一是主逆變器，它是將來自電池的高直流電壓轉換為為牽引電動機供電所需的交流電壓的電路。 與具有相同拓撲結構的基于IGBT的逆變器相比，SiC的效率提高了6-10%。對于主逆變器，SiC的低傳導損耗是一個關鍵優勢，特別是在部分負載條件下。這種效率的提高轉化為更長的續航里程或更小的電池尺寸，從而節省了空間和成本。 “基于我們在碳化硅方面的成功案例，我不得不說，SiC MOSFET在很長一段時間內仍然是構建牽引逆變器的主要選擇，因為1200 V器件的可用性很大，它們經過驗證和完善的堅固性，以及更簡單的柵極驅動設計，”Di Giovanni說。

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DC-DC 轉換器和車載充電器

在電池供電的電動汽車（BEV）和插電式電動汽車（PHEV）中，電動機由牽引逆變器供電，該逆變器從大型高壓電池組接收能量。逆變器可以直接連接到高壓電池，也可以通過DC-DC轉換器連接，具體取決于電池的標稱電壓，分別為400 V或800 V，如圖1所示。

在車內，也有在 12 VDC 或 48 VDC 下運行的不同系統。這些電壓通過DC-DC轉換器由高壓電池組提供。 充電需要直流電源。然而，交流電源在家庭和商業空間更容易獲得，因此需要將交流電轉換為直流電的車載充電器。快速直流充電除外，僅在某些充電站可用。 DC-DC 轉換器和 OBC 都需要具有高效率、高開關頻率和出色熱管理的功率器件。為了滿足這些具有挑戰性的要求，SiC已成為首選，提供高效率，低開關損耗，高開關頻率，低散熱和更小磁性元件的組合。

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碳化硅制造

一旦成功應用于電動汽車領域，SiC器件將進一步增加制造。這最終將在大規模制造后降低價格，類似于硅基設備。成本的降低是一個重要的里程碑，因為SiC器件比硅基器件更昂貴，SiC材料的成本幾乎是硅的2×至3×。

“在創建了垂直整合的完整供應鏈之后，我們現在正在意大利卡塔尼亞的主要生產基地附近建立一個新的集成晶圓廠，”Di Giovanni說。“這將是歐洲首個此類產品，我們的目標是到2024年使用該新工廠生產的內部基板采購至少40%的SiC晶圓需求。

新的SiC制造工藝，晶圓從200到300毫米，將有可能實現更好的產量并降低生產成本，使其與傳統硅相當。

“我們已經證明了我們在瑞典制造200毫米SiC晶圓原型的能力，”Di Giovanni說。“同樣重要的是要強調，我們的設備和機械已經可以處理200毫米，因此我們預計過渡將相當順利。

審核編輯 ：李倩