碳化硅在新能源汽车的应用

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，较长一段时期内，汽车的需求量仍将保持增长势头。新能源电动汽车、汽车制造商、工业公司和研究机构也将携手合作，继续开发电动车辆和必要的基础设施。

电动汽车的前景有了明显改善，各种公司已经研究和测试了新的驱动概念，第一批混合动力和电动汽车都已上市，电力电子系统等新组件被集成到汽车中，这在传统柴油、汽油车辆中不存在的。

新能源汽车包括以下系统：驱动逆变器以驱动驱动电机（高达300kW）、电池充电器（车载充电器）从3.6kW到22kW、感应充电（无线充电）从3.6kW到22kW、直流/直流转换器（高达5kW），用于空调、转向支架、水泵等辅助单元的逆变器。

对于上述系统，电力电子元器件在确保混合动力和电动汽车的功能方面起着决定性的作用。汽车原始设备制造商对电力电子系统的要求对此类系统的开发人员来说是一个巨大的挑战。特别是空间要求、重量和效率的相互制衡，整个系统的成本和产品设计阶段的工作量要保持在较低水平，同时还必须保证产品质量的稳定和操作的安全性。

硅是半导体行业第一代基础材料，世界上大多数集成电路元器件都是以硅为衬底制造的。传统电力电子器件的效率基于硅半导体技术，通常在85%至95%之间变化。这意味着在每次功率转换期间，大约10%的电能会以热量的形式损失。

但碳化硅(SiC)可以承受高功率密度从而在热设计中实现设计紧凑的系统。SiC的导热系数几乎是Si半导体器件的三倍，与硅半导体相比，SiC适用于更高的工作温度。随着电动汽车、5G等应用的快速发展，高功率、耐高压、高频率器件的需求也在快速增长。新能源汽车行业正在成为碳化硅大规模应用的主角。

碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大(Si的3倍)、热导率高(Si的33倍或GaAs的10倍)、电子饱和迁移速率高(Si的2.5倍)和击穿电场高(Si的10倍或GaAs的5倍)等特性。所以碳化硅(SiC)器件在高温、高压、高频、大功率电子器件领域和航天、军工、核能等极端环境应用领域有着不可替代的优势。

碳化硅(SiC)半导体具有比Si-IGBT更好的开关性能，因此SiC在高开关频率下产生的开关损耗较小。与Si-IGBT相比，在高开关频率下SiC可获得更大的负载电流。

比较具有高开关频率应用中的SiC-MOSFET和Si-GIBT，可以说由于Si-IGBT的高开关损耗和由此产生的热量，必须降低输出电流。这是不超过最大芯片温度并确保半导体功能的唯一方法。

因此，在高开关频率下，SiC-MOSFET比Si-IGBT效率更高。

车载充电器当中也有Sic的应用，这是由用于电源转换的不同组件组成的复杂系统，这些系统中集成了的组件包括：半导体（如二极管、MOSFET）、无源元件（如电感器和电容器）和具有相应转换比的变压器。变压器以所需的电压为电池充电，此外也用于在充电过程中对高压电池进行电耦。

高压电池的续航里程是混合动力和电动汽车普及的最大掣肘之一。为了说服最终客户（即车主）相信电动汽车，许多汽车制造商目前依赖具有快速充电时间的充电系统。这是为了简化电动汽车的使用。但是快速充电意味着对于技术实施而言，需要在短时间内获得更高的充电性能。

由于车内的设计空间始终有限，因此电池充电器系统必须具有高功率密度。这是将此类系统集成到车辆中以满足市场需求的唯一方法。

电力电子元件小型化的选择之一是电感器和变压器等无源元件的更紧凑设计。这通常只有在可以控制在同一电路中部署的半导体以高开关频率时才有可能。

对于硅半导体，高开关频率下的热负载将限制这种方法。由于其出色的开关特性，SiC-MOSFET非常适合这些情况。对于采用Si半导体的DC/DC转换器系统，开关频率限制为25kHz。如果使用SiC-MOSFET，则开关频率可达160kHz，这导致整个系统的绕组质量大幅小型化，可实现高功率密度和显著的整体重量减轻。

在兼顾成本和效率以及平衡市场需求的基础上，可以预见，碳化硅SiC在新能源汽车中的应用将会被更多的汽车品牌所采纳。SiC功率器件将在汽车的制造过程中越来越普及。

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