- 回答星友xuu的提問，關(guān)于SiC功率器件在純電動(dòng)卡車中的應(yīng)用解析- 文字原創(chuàng)，素材來源：各廠商，網(wǎng)絡(luò)

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導(dǎo)語：前段時(shí)間，星友xuu提到了一個(gè)話題：在電動(dòng)重卡領(lǐng)域，sic和si究竟誰更適合？SiC相比Si在效率方面優(yōu)勢(shì)有多大？這背后的機(jī)理是什么呢？

在全球能源轉(zhuǎn)型與綠色交通浪潮下，純電動(dòng)卡車作為商用車重要發(fā)展方向備受矚目。它應(yīng)用場(chǎng)景特殊，需應(yīng)對(duì)高負(fù)載長(zhǎng)距離運(yùn)輸、嚴(yán)苛環(huán)境，且經(jīng)濟(jì)性敏感，這使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率半導(dǎo)體材料選擇極為關(guān)鍵。今天，我們來剖析下純電動(dòng)卡車應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)比SiC功率器件與IGBT工作特性及系統(tǒng)性能差異，了解SiC在提升卡車性能上的優(yōu)勢(shì)。

目錄1.電動(dòng)卡車的應(yīng)用場(chǎng)景和工況特點(diǎn)是什么？2. SiC功率器件與IGBT的工作特性對(duì)比

2.1 高溫耐受性

2.2 高頻開關(guān)特性(知識(shí)星球發(fā)布)

2.3 高壓適配性(知識(shí)星球發(fā)布)

3. SiC vs. Si：系統(tǒng)性能差異及對(duì)純電動(dòng)卡車的適應(yīng)性(知識(shí)星球發(fā)布)

3.1 效率、續(xù)航里程，孰優(yōu)孰劣？(知識(shí)星球發(fā)布)

3.2 高負(fù)載、熱管理，孰優(yōu)孰劣？(知識(shí)星球發(fā)布)

3.3 高壓系統(tǒng)適配性，孰優(yōu)孰劣？(知識(shí)星球發(fā)布)

04 總結(jié)

注：以上內(nèi)容技術(shù)資料、拓展閱讀知識(shí)星球中發(fā)布(點(diǎn)擊文末"閱讀原文"加入)

01

電動(dòng)卡車的應(yīng)用場(chǎng)景和工況特點(diǎn)是什么？

在正式開始今天話題之前，我們先來深入探討一下純電動(dòng)卡車作為商用車主力，在應(yīng)用場(chǎng)景與工況特點(diǎn)方面究竟有什么特點(diǎn)？

首先，我們來看高負(fù)載與長(zhǎng)距離運(yùn)輸這一特點(diǎn)。純電動(dòng)卡車日均行駛里程相當(dāng)長(zhǎng)，能達(dá)到200 - 500km/天。同時(shí)，對(duì)載重能力的要求也很高，一般要大于10噸。這就意味著它的動(dòng)力系統(tǒng)必須持續(xù)輸出高扭矩，通常要大于1000 N·m?？梢韵胂?，這么高的載重和行駛里程，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求是非常嚴(yán)格的。

從具體的典型工況來看，像城際物流、港口運(yùn)輸以及礦山作業(yè)這些場(chǎng)景，都是純電動(dòng)卡車常見的“戰(zhàn)場(chǎng)”。在這些場(chǎng)景中，頻繁啟停以及爬坡的情況占比超過30%。比如，在港口運(yùn)輸時(shí)，車輛需要不斷地啟動(dòng)、停止來裝卸貨物；在礦山作業(yè)中，爬坡更是家常便飯，這就要求車輛的動(dòng)力系統(tǒng)必須足夠強(qiáng)大，才能應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜且高強(qiáng)度的工況。

接下來，我們說說嚴(yán)苛環(huán)境適應(yīng)性。純電動(dòng)卡車常常需要在一些極端的環(huán)境下工作，像高溫、高振動(dòng)的環(huán)境，在礦區(qū)就特別常見。在這種環(huán)境下，對(duì)功率器件的要求非常高，其耐溫能力一般要達(dá)到175°C，而且還得具備較強(qiáng)的抗機(jī)械沖擊能力。

最后，我們談?wù)?/strong>經(jīng)濟(jì)性敏感這一點(diǎn)。對(duì)于商用車來說，運(yùn)營(yíng)成本是至關(guān)重要的。在純電動(dòng)卡車的運(yùn)營(yíng)總成本中，燃油成本占比高達(dá)35%。所以，如果采用電動(dòng)化技術(shù)，就必須顯著降低能耗，這樣才能提升TCO，也就是總擁有成本。只有降低了總擁有成本，純電動(dòng)卡車在市場(chǎng)上才更有競(jìng)爭(zhēng)力，也才能更好地滿足商用車運(yùn)營(yíng)者的需求。

以上就是純電動(dòng)卡車在應(yīng)用場(chǎng)景與工況特點(diǎn)方面的主要內(nèi)容，這個(gè)非常重要，是我們定義技術(shù)路線的大前提。只有深度地理解場(chǎng)景與工況，才能明確我們的目標(biāo)產(chǎn)品要做成"什么樣子"，進(jìn)一步利用這些場(chǎng)景，最大限度地發(fā)揮出目標(biāo)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。

今天我們不展開，僅聚焦于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率半導(dǎo)體材料方面做一定程度探討。下面我們?cè)賮韽?/strong>SiC和Si器件特性視角，聊一聊：究竟哪種材料更適合純電動(dòng)卡車的應(yīng)用？

02

SiC功率器件與IGBT的工作特性對(duì)比

2.1 高溫耐受性

我們?cè)谥岸啻翁岬竭^：SiC材料的禁帶寬度（3.26 eV）是Si（1.12 eV）的3倍，使其能在更高溫度下穩(wěn)定工作。

SiC器件的理論工作溫度可達(dá)600°C，而受封裝材料限制，目前通用的實(shí)際應(yīng)用溫度約為175°C，仍顯著高于Si-IGBT的150°C極限。高溫下，SiC的漏電流幾乎無顯著增加，且熱導(dǎo)率更高（4.9 W/cm·K vs. Si的1.5 W/cm·K），散熱需求更低，適合卡車長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行。

| SysPro備注：很多朋友問到為什么禁帶寬度越寬溫度穩(wěn)定性越好？有個(gè)很好玩的比喻，半導(dǎo)體材料就像一座“電子游樂場(chǎng)”，而禁帶寬度就像是這座游樂場(chǎng)入口的“身高限制”。

對(duì)于Si，游樂場(chǎng)入口的身高限制比較低，只有1.12米（對(duì)應(yīng)Si的禁帶寬度1.12 eV），當(dāng)溫度升高（就像天氣變熱），很多電子會(huì)很容易地跳過這個(gè)低矮的“身高限制”，進(jìn)入游樂場(chǎng)（即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶）。這些“電子”在游樂場(chǎng)里亂跑（形成漏電流），會(huì)導(dǎo)致游樂場(chǎng)秩序混亂（器件性能下降或失效）;

而對(duì)于SiC而言，身高限制很高，有3.26米（對(duì)應(yīng)SiC的禁帶寬度3.26 eV），即使天氣非常熱（溫度很高），“電子”也很難跳過這個(gè)高高的“身高限制”。因此，游樂場(chǎng)里保持相對(duì)安靜和有序（漏電流小，器件性能穩(wěn)定），能夠繼續(xù)正常運(yùn)營(yíng)...

這就解釋了為什么說：禁帶寬度決定了電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量。禁帶越寬，電子躍遷所需的能量就越高。

2.2 高頻開關(guān)特性

(知識(shí)星球發(fā)布)

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2.3 高壓適配性

(知識(shí)星球發(fā)布)

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了解了SiC和IGBT的差異，那么，兩種材料在系統(tǒng)性層級(jí)上表現(xiàn)又有什么不同呢？特別是對(duì)于純電卡車上的應(yīng)用，有何差異？

03

SiC vs. Si：系統(tǒng)性能差異及對(duì)純電動(dòng)卡車的適應(yīng)性

(知識(shí)星球發(fā)布)

3.1 效率、續(xù)航里程，孰優(yōu)孰劣？為什么？

在純電動(dòng)卡車的動(dòng)力系統(tǒng)中，效率與續(xù)航是兩大核心指標(biāo)...

3.2 高負(fù)載、熱管理，孰優(yōu)孰劣？為什么？

正如我們?cè)?1中提到的：純電動(dòng)卡車在運(yùn)輸過程中，經(jīng)常需要面對(duì)連續(xù)爬坡、重載運(yùn)輸等高負(fù)載場(chǎng)景。這些場(chǎng)景對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和熱管理能力提出了極高要求...

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|SysPro備注，參考文章：

SiC功率半導(dǎo)體可靠性全面解析：失效的本質(zhì)、缺陷控制手段、失效率測(cè)試兩種方法

3.3 高壓系統(tǒng)適配性，孰優(yōu)孰劣？為什么？

最后，我們?cè)賮砜纯锤邏菏遗滹棧琒iC or Si，孰優(yōu)孰劣？

...

SiC還有個(gè)附加價(jià)值：SiC器件的單管并聯(lián)結(jié)構(gòu)也使其比IGBT模塊更易實(shí)現(xiàn)均流...

04 總結(jié)

OK，總結(jié)一下。純電動(dòng)卡車作為商用車的主力軍，應(yīng)用場(chǎng)景十分特殊。它面臨著高負(fù)載與長(zhǎng)距離運(yùn)輸的任務(wù)，日均行駛里程長(zhǎng)、載重大，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)要求極高。同時(shí)，還得適應(yīng)高溫、高振動(dòng)等嚴(yán)苛環(huán)境，而且運(yùn)營(yíng)者對(duì)經(jīng)濟(jì)性非常敏感。

而 SiC 功率器件和 IGBT 相比...

在寫上述內(nèi)容的過程中，比較好奇一個(gè)點(diǎn)：除了 SiC 之外，還有沒有其他新型半導(dǎo)體材料，可能在純電動(dòng)卡車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率半導(dǎo)體領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力呢？這個(gè)問題留到后面，我們?cè)賹ｎ}聊一聊。感謝xuu的提問，感謝讀者朋友們的閱讀，希望有所幫助！

以上是關(guān)于SiC功率器件在純電動(dòng)卡車中的應(yīng)用解析(節(jié)選)，完整版解讀在知識(shí)星球[SysPro|電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能解讀]專欄發(fā)布，歡迎閱讀學(xué)習(xí)。上述參考文獻(xiàn)、技術(shù)報(bào)告、SIC應(yīng)用手冊(cè)、IGBT應(yīng)用手冊(cè)已上傳知識(shí)星球，建議結(jié)合相關(guān)相關(guān)文件一并查閱學(xué)習(xí)。感謝你的閱讀，希望有所幫助！