電動汽車的電動機是有源負載，其轉速范圍很寬，且在行駛過程中需要頻繁地加速和減速，工作條件比一般的調速系統要復雜，因此，其驅動系統是決定電動汽車性能的關鍵所在。

隨著電動汽車的發展，對電力電子功率驅動系統提出了更高的要求，即更輕、更緊湊、更高效、更可靠。

常用的半導體材料，尤其是各種電子產品中的處理器、存儲器等芯片，通常都是基于硅晶體(單晶硅或多晶硅)制造出來的。而實際上還有一類半導體是基于化合物晶體制造的，SiC(碳化硅)半導體就是其中之一。

由于相比硅基半導體在材料特性上有所差異，SiC(碳化硅)半導體具備比硅基半導體更好的高頻、大功率、高輻射性能。

什么是SiC?

碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。 碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內經高溫冶煉而成。

目前我國工業生產的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

黑碳化硅是以石英砂,石油焦和優質硅石為主要原料,通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機械強度高于剛玉,性脆而鋒利。

綠碳化硅是以石油焦和優質硅石為主要原料,添加食鹽作為添加劑，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機械強度高于剛玉。

碳化硅(SiC)由于其獨特的物理及電子特性, 在一些應用上成為最佳的半導體材料: 短波長光電器件, 高溫, 抗幅射以及高頻大功率器件，其主要特性及與硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的對比如下。

寬能級(eV)：

• 4H-SiC: 3.26

•  6H-Sic: 3.03 

• GaAs: 1.43 

• Si: 1.12

由于碳化硅的寬能級, 以其制成的電子器件可在極高溫下工作，這一特性也使碳化硅可以發射或檢測短波長的光, 用以制作藍色發光二極管或幾乎不受太陽光影響的紫外線探測器。

高擊穿電場(V/cm)：

• 4H-SiC: 2.2x10e6 

• 6H-SiC: 2.4x10e6 

• GaAs: 3x10e5 

• Si: 2.5x10e5

碳化硅可以抵受的電壓或電場八倍于硅或砷化鎵, 特別適用于制造高壓大功率器件如高壓二極管、功率三極管、可控硅以及大功率微波器件. 另外, 此一特性可讓碳化硅器件緊密排列, 有利于提高封裝密度。

高熱傳導率(W/cm?K@RT)：

• 4H-SiC: 3.0-3.8 

• 6H-SiC: 3.0-3.8 

• GaAs: 0.5

• Si: 1.5

碳化硅是熱的良導體, 導熱特性優于任何其它半導體材料。

事實上, 在室溫條件下, 其熱傳導率高于任何其它金屬，這使得碳化硅器件可在高溫下正常工作。

高飽和電子遷移速度(cm/sec @E 2x105V/cm)：

• 4H-SiC: 2.0x107 

• 6H-SiC: 2.0x107 

• GaAs: 1.0x10 

• Si: 1.0x107

由于這一特性, 碳化硅可制成各種高頻器件(射頻及微波)。

多年來，主流的功率半導體技術一直（現在仍然）是硅基，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

功率MOSFET被認為是最便宜、最流行的器件，用于適配器、電源和其他產品。它們用于高達900伏的應用中。

▲SiC電源組件在電動汽車中有許多用途 

最主要的中端功率半導體器件是IGBT，它結合了MOSFET和雙極晶體管的特性。IGBT用于400伏~10千伏的應用。 

問題在于，從5伏到幾百伏，硅MOSFET一直都是一種很好的技術。當電壓達到600伏到900伏時，硅MOSFET很好，但它開始出現能量損失。

功率MOSFET和IGBT正在達到其理論極限，并且存在不必要的能量損失。器件因傳導和開關而產生能量損失。傳導損耗是由器件中的電阻引起的，而開關損耗是在開關狀態期間發生的。

典型混聯型電力驅動系統的電路結構如下圖 所示，由儲能電池、雙向DC-DC 變換器、逆變器/變流器、電動機、發電機、控制電路和電感電容組成。

其中，雙向DC-DC變換器將儲能電池的電壓泵升到逆變器所需的高壓直流；逆變器/變流器將直流電壓轉換成驅動電機的三相交流電；發電機與燃油發動機相連。

其較為理想的工作狀態是：啟動和低速時，燃油發動機關閉，電池向電動機供電并驅動汽車行駛；爬坡和加速時，燃油發動機和電動機可同時工作；減速和制動時，電動機和發電機均可進行再生制動，向電池充電，能量得到回收。

實際上，現在的大功率電力電子設備無論是成本、體積，還是功率密度，都不是很適應汽車工業的需求。因為傳統的大功率電力電子設備主要面向一般工業和可再生能源領域，在性能上要求沒有汽車行業這么苛刻。

對于新一代大功率電動汽車，其電力驅動系統需從傳統工業級進入到真正的汽車工業級。

為此，美國能源局制定了2020 年HEV 的發展目標：電力電子設備的功率密度超過14.1kW/kg，體積小于13.4kW/L，效率超過98%，價格低于3.3/kW。

這個發展目標對電力電子器件和拓撲性能、控制策略、系統集成以及封裝都提出了新的要求和挑戰。

SiC 功率半導體器件具有Si基器件無可比擬的電氣性能：

1 ） 耐壓高。

臨界擊穿電場高達2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10 倍于Si)。

2）散熱容易。

由于SiC 材料的熱導率較高(3倍于Si)，散熱更容易，器件可工作在更高的環境溫度下。有報導，SiC 肖特基二極管在361℃的工作結溫下正常工作超過1 小時。

SiC 可顯著減小散熱器的體積和成本。理論上，SiC 功率器件可在175℃結溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。

▲采用 Si 和SiC SBDs 的散熱對比

上圖為采用SiC SBDs的小功率EV 車載逆變器散熱片體積和采用傳統Si基半導體器件散熱片體積的對比，可看出，采用SiCSBDs 器件散熱片的體積大大減小。

對于主流的大功率HEV，一般包含兩套水冷系統，一套是引擎冷卻系統，冷卻溫度約105℃，另一套是電力電子設備的冷卻系統，冷卻溫度約為70℃。

如果采用SiC 功率器件，由于其具有3 倍于Si 的導熱能力，可以使器件工作于較高的環境溫度中。

長期以來，HEV 設計者一直希望將兩套水冷系統合二為一，其直接效益是大大降低了HEV 驅動系統的成本。

此外，SiC 功率器件的高導熱性也使風冷在未來的中、大功率電動汽車中成為可能。

3）導通損耗和開關損耗低。

SiC 材料具有兩倍于Si 的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導通電阻(1/100 于Si)，導通損耗低；SiC 材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個數量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，可大大提高實際應用的開關頻率(10 倍于Si)。

4）可以減小功率模塊的體積。

由于器件電流密度高(如Infineon 產品可達700A/cm2)，在相同功率等級下，全SiC 功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著小于Si IGBT 功率模塊。

▲三菱電機 Si 和SiC 功率模塊封裝對比

由于開關損耗的降低，SiC 器件能工作于20kHz 以上開關頻率，將夠顯著減小無源器件的體積和成本。

▲三菱電機 11kW Si 和SiC 逆變器體積對比，其中SiC逆變器的功率密度達到10W/cm3

▲典型的電動汽車電源架構 

隨著電動汽車以及其他系統的增長，碳化硅（SiC）功率半導體市場正在經歷需求的突然激增。

這便是SiC的用武之地?；诘墸℅aN）的功率半導體也正在出現。GaN和SiC都是寬帶隙技術。硅的帶隙為1.1 eV。相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。

SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導體。

許多基于SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用于電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。

▲碳化硅智能功率模塊

與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統硅基器件的10倍，導熱系數是傳統硅基器件的3倍，非常適合于高壓應用，如電源、太陽能逆變器、火車和風力渦輪機。

另外，SiC還用于制造LED。碳化硅材料各項指標均優于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。技術成熟度最高，應用潛力最大。

碳化硅器件具有更低的導通電阻。

在低擊穿電壓 (約 50V 下）,碳化硅器件的比導通 電阻僅有 1.12uΩ,是硅同類器件的約 1/100。

在高擊穿電壓 (約 5kV 下）,比導通電 阻提高到 25.9mΩ, 卻是硅同類器件的約 1/300。 

更低的導通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導通損耗,從而能獲得更高的整機效率。

商業化的硅肖特基二極管通常耐壓在 300V 以下,而首個商業化的碳化硅肖特基二極管的電壓定額就已近達到了600V ; 首個商業化的碳化硅 MOSFET 電壓定額為 1200V ,而常用的硅 MOSFET大多在 1kV 以下。

▲典型的EV/HEV電路框圖及適用于SiC/GaN的可能性

碳化硅器件的極限工作溫度有望達到 600℃以上, 而硅器件的最大結溫僅為 150℃。

碳化硅器件抗輻射能力較強,在航空等領域應用可以減輕輻射屏蔽設備的重量。

碳化硅器件對電動車充電模塊性能的提升主要體現在三方面：

（1）提高頻率，簡化供電網絡；

（2）降低損耗，減少溫升。

（3）縮小體積，提升效率。

▲混合動力汽車/電動汽車中的英飛凌主逆變器框架圖

(圖片來源：英飛凌)

最大的增長機會在汽車領域，尤其是電動汽車。

基于SiC的功率半導體用于電動汽車的車載充電裝置，而這項技術正在進入系統的關鍵部分——牽引逆變器。牽引逆變器為電動機提供牽引力，以推動車輛前進。

SiC正在進軍車載充電器、DC-DC轉換器和牽引逆變器。車載充電器通過電網為車輛充電。

DC-DC轉換器獲取電池電壓，然后將其降低到較低的電壓，用于控制窗戶、加熱器，以及其他功能。

▲infineon DC/DC converter

純電動汽車也由牽引逆變器組成。高壓母線將逆變器連接到電池和電機上。電池為汽車提供能量。

推動汽車前進的電動機有三根線。這三根線延伸到牽引逆變器，然后聯網到逆變器模塊內的六個開關。每個開關實際上是一個功率半導體，在系統中充當電開關。

對于開關，現有的技術是IGBT，因此牽引逆變器可以由六個IGBT組成，額定電壓為1200伏。

在逆變器中，有六個IGBT，每個IGBT都有一個單獨的硅二極管。使用二極管有幾個原因：IGBT無法承受反向電動勢和過高的電壓。因此，需要在每個IGBT上加一個二極管，以防止在關閉開關時破壞它。

不久前，日本電裝公司與豐田汽車共同推出功率密度高達60kW/L的逆變器;羅姆公司采用碳化硅功率器件使驅動系統和馬達實現了一體化;三菱電機開發的新型EV用馬達里的逆變器，其晶體管和二極管全部使用碳化硅。

國內從2014年碳化硅二極管就已經實現了量產，但事實上，還沒有形成完整的產業，與外國產業規模差距大，國內市場上大部分碳化硅功率器件依賴進口，形成國際大廠壟斷局面。

在碳化硅材料方面，國內僅有少數幾家從事碳化硅襯底材料和外延材料的研發工作。

而在碳化硅功率器件方面，雖然清華大學、中國科學院等都有此類器件的課題研究，但主要是理論研究及實驗室的研究成果。

▲比亞迪SiC晶圓

比亞迪2018年已經成功研發了SiC MOSFET（汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或MOSFET等），有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。

預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代，將整車性能在現有基礎上再提升10%。

比亞迪已投入巨資布局第三代半導體材料SiC，并將整合材料（高純碳化硅粉）、單晶、外延、芯片、封裝等SiC基半導體全產業鏈，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在電動車領域的應用。

▲infineon Auxiliary Inverters/Converters

國內產業鏈比較健全，但基礎技術（單晶，外延和器件）離國外有很大距離：

• 單晶：天科合達，46所，神舟，硅酸鹽所

• 外延：中科院，西電，13所，55所

• 器件：西電，13所，55所，南車

• 封裝：13所，55所，南車

• 電路應用：清華，浙大，南航，海軍工程大學

• 用戶：國網，南車

將750V轉換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應，是用SiC功率組件提高電動汽車效率的很好例子。

這種架構將效率從88%提高到了96%，將尺寸和重量減少了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風扇來冷卻多余的熱量。

目前SiC器件在EV／HEV上應用發展最快的是日本企業，走在前面的當屬豐田公司。豐田中央研發實驗室(CRDL)和著名零部件廠商電裝公司從1980年就開始合作開發SiC半導體材料，2014年5月他們正式發布了基于SiC半導體器件的零部件—— 應用于新能源汽車的功率控制單元(PCU)。

2015年5月豐田汽車公司公布了配備SiC半導體功率控制單元(PCU) 的混合動力車(HEV)的公路實驗結果，實驗于2015年2月在日本愛知縣啟動，到5月底“已經確認燃效較原來改善了5％，通過優化動作控制，可以達到將燃效改善10％的目標”。

日立制作所和日立汽車系統公司2015年9月28日宣布，面向混合動力車和純電動汽車開發出了高效率、高功率的逆變器。與日立的原產品相比，新產品的電力損耗削減60％，相同體積下的電力容量擴大到了約2倍。

通過碳化硅功率器件實現大幅度電動汽車逆變器和DC-DC轉換器等驅動系統的小型輕量化。如果利用碳化硅功率元件，體積可以縮小到原來的3/2至3/1。

另一方面，碳化硅可以改善電池性能，增加充放電循環次數。碳化硅的使用可提高充電鋰離子電池3倍以上的電容量，碳化硅延長了電動汽車的續航時間。

下表顯示電動汽車SiC功率組件的一些重要應用：

▲電動汽車電子架構中的一些SiC應用

PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)

表格來源：2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies

實際上，我們可以把IGBT看做是電開關，它們可以啟用和禁用各種電機繞組，并有效地使電機旋轉。

用于這種功能的最流行的電子半導體開關稱為IGBT，超過90%的汽車制造商都在使用它們，它們是根據需要將電池電流轉換到電動機的最便宜的方式。

SiC MOSFET比IGBT具有更快的切換速度，SiC MOSFET降低了開關損耗，同時降低了中低功率水平下的傳導損耗。

它們的工作頻率是IGBT的4倍，由于更小的無源元件和更少的外部元件，因此可以減小重量、尺寸和成本，因此，與硅基解決方案相比，SiC MOSFET可將效率提高90％。

特斯拉在一些車型中使用了SiC功率器件，SiC MOSFET在汽車市場具有潛力。但仍存在一些挑戰，比如成本、長期可靠性和模塊設計。

至于汽車應用，我們預計IGBT將在未來十年主導市場。SiC具有高效率、高功率密度的優點，但成本較高。這意味著縮小尺寸和縮小電池容量的優點需要彌補更高的成本。

這就是為什么我們相信SiC將最先用于車載充電器，因為更高開關頻率下的SiC效率和更小的無源元件可以補償SiC器件的高成本。只要電池成本節省多于SiC器件增加的成本，SiC就將被廣泛應用于大型電池電動汽車的主逆變器應用領域。

對于800伏系統的電動汽車，還有其他優點，例如更短的充電時間、更高的逆變器效率和更低的電纜成本。

▲infineon Battery Management

電動車輛由電動機驅動器驅動，電動機驅動器傳統上使用功率MOSFET或IGBT。如果你用SiC替換掉原來的電動機驅動器，那么你的驅動器損耗會降低80％。這意味著在相同的續航里程內，可以使用更小的電池。電池越小意味著成本越低。

經過 20 多年的發展,雖然碳化硅器件目前還存在如產量低、價格高、商業化 器件種類少和缺乏高溫封裝等問題,但商業化碳化硅電力電子器件所展現出的令人驚奇的性能已經受到了普遍的關注。

▲Franco-Italian chipmaker STMicroelectronics NV is a supplier for Apple and Tesla

到2023年，SiC功率半導體市場預計將達到15億美元。

SiC器件的供應商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導體、意法半導體、Rohm、東芝和Wolfspeed。Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工廠商。

隨著碳化硅電力電子器件技術的研究的不斷深 入,這些問題將逐漸得到解決,更多更好的商用碳化硅電力電子器件將推向市場, 必將大大拓展碳化硅電力電子器件的應用領域。

同時,縱觀電力電子的發展歷程, 新器件的誕生會帶來整個電力電子行業的重大革命,在不久的將來,碳化硅功率器 件將成為各種變換器應用領域中減小功率損耗、提高效率和功率密度的關鍵器件。

SiC器件在電動汽車控制部件應用中存在的問題

盡管碳化硅功率器件在電動汽車驅動系統的使用中具有顯著的優勢和廣泛的應用前景，但仍有以下問題需要解決：

1）電磁兼容性問題

電動汽車電力電子裝置是電動汽車的最主要的電磁干擾源也是重要的傳播途徑，顯然，高的開關頻率會加劇電動汽車的電磁干擾。電動汽車內有大量噪聲敏感的電子設備，不良的電磁兼容設計往往對其他車載電子設備的造成干擾甚至是誤操作，給汽車留下較大的安全隱患。

此外，高頻高壓工作下的開關器件還會引起的劇烈的du/dt 和di/dt。du/dt將影響電機絕緣的可靠性；di/dt 將進一步惡化器件的工作條件，并產生更強的輻射電磁干擾。因此，對SiC 器件引起的電磁干擾的產生機理和抑制方法上進行深入研究，才能有效提高電動汽車的電磁兼容性能。

2）高頻磁性元件設計問題

碳化硅器件的使用可以提高變換器的開關頻率、縮小磁性元件體積，但高頻化下的磁性元件有許多基本問題要研究。

①提高開關頻率后，電抗器的磁性材料的鐵損會增大，導致電力變換器效率降低，必須使用新的磁性材料和繞制工藝。如安川電機在其輸出功率為45kW變換器的電感中使用了稱為“Liqualloy”的非晶合金新磁性材料，該材料的特點是擁有與電磁鋼板相當的高飽和磁通密度，而且高頻成分的損耗??；

②由于開關頻率的提高，在低頻下可以忽略的某些寄生參數，在高頻下將對電路某些性能(磁元件的漏感和分布電容等)產生重要影響。高頻磁技術理論作為學科前沿問題，如磁心損耗的數學建模，磁滯回線的仿真建模，高頻磁元件的計算機仿真建模等，需要受到人們的廣泛重視。

3）先進封裝技術

電動汽車環境溫度較高，功率模塊及其輔助電路需滿足高可靠性、耐熱性以及電氣堅固性等需求。因此需要先進封裝技術改善散熱條件、降低寄生參數、提高功率模塊的電氣堅固性和可靠性。電力電子研究人員一直在努力尋找新型大電流高功率密度封裝結構和互連方法，以替代目前的平面封裝結構和引線鍵合工藝，徹底消除它們帶來的各種問題。

無引線鍵合的頂部功率連接，最小引線鍵合，動態匹配和芯片雙面散熱等工藝需要進一步研究[7]。近年來，新的封裝技術，如英飛凌的擴散焊接工藝，賽米控的完全無焊接的彈簧壓接技術以及燒結技術等，可能成為未來寬禁帶電力電子器件的主流封裝工藝。

參考文獻：

1.《寬禁帶碳化硅功率器件在電動汽車中的研究與應用》華南理工大學電力學院 王學梅

2.《第三代半導體器件在新能源汽車(EV／HEV)上的應用》廣東省機械研究所 鄭泰山

3.《應用增強型碳化硅結型晶體管的功率因數校正技術》密西西比州立大學車輛系統研究中心

| 來源：文章轉自「驅動視界」

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