導讀

SiC器件的主要用途是車載設備。SiC器件可以使純電動汽車、混合動力車的電機控制系統(tǒng)損失的功率降低到1/10，實現(xiàn)低功耗化；同時，能將新能源汽車的效率提高10%，使用SiC工藝生產(chǎn)的功率器件的導通電阻更低、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)進入普及階段。

未來十年內(nèi)SiC車規(guī)級功率器件將有更大的空間。2018年全球新能源乘用車共銷售200.1萬輛，其中中國市場占105.3萬輛，超過其余國家總和，成長空間廣闊。據(jù)預測，2020年全球新能源車銷量將達到400萬輛，2025年達到1200萬輛，2030年達到2100萬輛。

1.SiC在新能源汽車中的應用

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

（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，對冷卻系統(tǒng)的要求較高。

在電動汽車中，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。這大大增加了電動汽車冷卻系統(tǒng)的體積。SiC功率器件工作結(jié)溫已經(jīng)達到了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：電池充電器是電動汽車中的重要部分，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。無源元件體積的減小意味著整個變換器體積的減小，功率密度的提高。

（3）電機驅(qū)動器：電動汽車中主電機的驅(qū)動器拓撲有多種，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%；當頻率升高時，損耗還會進一步降低，開關(guān)頻率為 15 kHz 時，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。基于寬禁帶材料制造的電力電子器件具有 Si 器件無法相比的電氣性能。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關(guān)性能有關(guān)，參數(shù)越高，器件的最大開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗頻率越小，如SiC廣泛應用于音頻放大器中；臨界電場越高，承受的擊穿電壓越高，這是SiC廣泛應用于高鐵、電網(wǎng)等領域的原因；更高的導熱系數(shù)可以使寬禁帶電源開關(guān)以更安全的方式達到更高的溫度。SiC材料和Si材料性能對比如表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，使模塊進一步優(yōu)化。對比結(jié)果如表2所示。

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

3.SiC在新能源汽車中的應用進展

從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢。其中美國全球獨大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權(quán)；日本是設備和模塊開發(fā)方面的絕對領先者。

在SiC應用于電動汽車方面，SiC肖特基二極管器件已經(jīng)廣泛應用于高端電源市場，包括PFC、光伏逆變器和高端家電變頻器。以SiC的龍頭企業(yè)美國科銳、德國英飛凌、日本羅姆等半導體巨頭公司為代表的功率器件公司逐步推出SiC金屬一氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、結(jié)型場效應管(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，并在電動汽車和軌道交通上不斷進行應用研究，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車型采用SiC MOSFET來提升電驅(qū)系統(tǒng)的工作效率及充電效率外，歐洲的350KW超級充電站也正在加大SiC器件的采用。而在國內(nèi)，比亞迪、北汽新能源等車企也在加碼SiC器件在電動汽車領域的應用，主要以汽車充電樁場景應用為主。

4.結(jié)語

總體來看，新能源汽車行業(yè)上普遍認為電池是新能源汽車的技術(shù)瓶頸，對電機驅(qū)動、控制系統(tǒng)，充電系統(tǒng)中的新技術(shù)認識不足。實際上在汽車電力電子技術(shù)上，我國很多技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈空白，建立在現(xiàn)代功率半導體（IGBT和MOSFET等）基礎上的電子電路、芯片和模塊幾乎全都依賴進口。目前，以碳化硅、氮化鎵等為代表的第三代寬禁帶功率半導體在新能源汽車上的應用成為未來發(fā)展趨勢，然而在這些領域，我國在其應用研發(fā)上明顯落后于國外，國內(nèi)企業(yè)還有較長的路要走。

審核編輯：湯梓紅