導(dǎo)讀

SiC器件的主要用途是車載設(shè)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(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(yù)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(yīng)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(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(dāng)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?；趯捊麕Р牧现圃斓?a target="_blank">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(yīng)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(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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(shè)備和模塊開發(fā)方面的絕對領(lǐng)先者。

在SiC應(yīng)用于電動汽車方面，SiC肖特基二極管器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高端電源市場，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(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)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、結(jié)型場效應(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，并在電動汽車和軌道交通上不斷進行應(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(lǐng)域的應(yīng)用，主要以汽車充電樁場景應(yīng)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(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)體在新能源汽車上的應(yīng)用成為未來發(fā)展趨勢，然而在這些領(lǐng)域，我國在其應(yīng)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