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鄒小姐：13326633089 -
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在新能源汽車中，電力驅動系統是影響新能源汽車動力性能、可靠性和成本的關鍵因素。目前的電力驅動部分主要由硅（Si）基功率器件組成，但電動汽車的發展，對電力驅動的小型化和輕量化提出了更高的要求。由于材料限制，傳統Si基功率器件在許多方面已經逼近甚至達到了其材料的本征極限，如電壓阻斷能力、正向導通壓降等，尤其在高頻和高功率領域更顯示出其局限性。而SIC功率半導體器件憑借其優異性能被各大汽車產商所青睞，希望通過應用SiC功率器件大幅實現電動汽車逆變器和DC-DC轉換器驅動系統的小型輕量化。
圖1、特斯拉Model3
一、SIC功率半導體器件
SiC功率半導體器件主要包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結勢壘肖特基（JBS）功率二極管、pin功率二極管和混合pin肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導體場效應晶體（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結型場效應晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關斷晶閘管（GTO）等。
圖2、全球SiC功率器件市場的預測分析
圖3、SiC功率半導體器件
二、SIC功率半導體器件的優勢
1、高功率密度，降低功率模塊體積
SiC器件與Si器件相比，有更高的電流密度。在相同功率等級下，SiC功率模塊的體積顯著小于Si基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊。以智能功率模塊為例，利用SiC功率器件，其模塊體積可縮小至Si基功率模塊體積的1/3~2/3。
圖4、碳化硅IPM與硅IGBT功率模塊的體積比較
2、低功率損耗，提高系統效率或工作頻率
提高能源利用效率對許多廠商來說是令人頭疼的難題。而SiC器件具有大幅提高設備的能源利用效率的特質。SiC功率模塊與采用硅基IGBT的功率模塊相比，可將開關損失降低85%。另外，可實現100kHz以上的高速開關，其開關頻率比Si基IGBT模塊高10倍以上，提高開關頻率將顯著減小電感器和電容器等周邊部件的體積和成本。
圖5、碳化硅功率模塊和硅IGBT功率模塊電力損耗比較
3、良好的高溫穩定性，顯著減小散熱器體積降低成本
由于SiC器件的能量損耗只有Si器件的50%，所以發熱量也只有Si基器件的50%；另外，SiC器件還有非常優異的高溫穩定性。因此，散熱處理也更加容易進行，不但可以顯著減小散熱器的體積，還可以實現逆變器與馬達的一體化。采用SiC SBDs器件散熱片的體積大大減小。
圖6、采用碳化硅器件和硅器件需要的散熱器對比
目前，電動汽車一般包含2套水冷系統，一套是馬達冷卻系統，另一套是逆變器等電子設備的冷卻系統。通過采用SiC器件實現逆變器和馬達的一體化不但可以縮短逆變器與馬達之間的布線距離，還能整合以往逆變器和馬達需要分別配置的水冷卻系統，質量和體積大為降低。基于上述原因，SiC器件也被美譽為“重環保時代的關鍵元件”。SiC功率半導體已成為節能、高效、環保的代名詞。為此，汽車業界對SiC的期待十分迫切。
三、SIC功率半導體器件的應用
新能源汽車的發展是SiC市場的最大驅動力。在新能源汽車領域，采用 SiC功率器件因其對電能較高的轉化效率可以提升電池的能量利用率；同時，因其功率密度大、高頻率可減少電力轉化模塊的體積和質量，也因其對高溫的耐受能力更強使其節省了散熱組件，實現了整車輕量化。
（1）2015年，特斯拉Model3開始采用分立SiC MOSFET的電機控制器。2018 年，采用了意法半導體生產的 SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。
圖7、電動化車輛的SiC（SiC MOSFET）控制器
（2）2020年7月新上市的比亞迪－漢 EV 也搭載了高性SiC-MOSFET控制模塊，功率密度超過 30 kW/L。
（3）2020年11月精進電動宣布其300~600 kW 系列 SiC MOSFET 控制器，功率密度大于40 kW/L，在不同工況下比硅基控制器節能3%~6%。獲得了德國大眾商用車公司TRATON 集團客車和重卡等電動化商用車驅動電機控制器的量產合同。
（4）日本電裝公司與豐田汽車共同推出輸出功率密度高達60kW/L的逆變器。
圖8、電裝碳化硅逆變器
（5）三菱電機開發內置逆變器的新型EV用馬達，構成逆變器的晶體管和二極管全部使用SiC。
圖9、使用Si器件的傳統逆變器與使用SiC器件的新型逆變器對比
除了上述新能源汽車之外，在家電、軍工、航空航天、工業控制、智能電網等諸多領域 SiC功率器件因其自身高性能的優勢也有初步使用或研發跟進。
圖10、SiC器件在各行業中的應用及優勢
圖11、SiC功率器件在其他方面應用
總結
在5G和新能源汽車等新興市場需求的驅動下，SiC材料有望迎來加速發展。但我國在SiC功率器件領域跟國外還有一定的差距等問題，特別是在以下3個方面差距巨大：（1）在SiC MOSFET 器件方面的研發進展緩慢，只有少數單位具備獨立的研發能力，存在一定程度上依賴國際代工企業制造芯片的弊病，容易受制于人，產業化水平不容樂觀。（2）SiC 芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等，國內大規模建立SiC工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口。（3）SiC器件高端檢測設備被國外所壟斷。
圖12、中國汽車工程學會牽頭的《節能與新能源技術路線圖2.0》的電驅動技
術路線圖中給出了SiC MOSFET的技術路線圖
參考來源：
1、碳化硅功率器件與新能源汽車 吳海雷等
2、第三代寬禁帶功率半導體及應用發展現狀 蔡蔚等
3、碳化硅在能源領域的應用及展望 趙敏等
4、Review of Silicon Carbide Power Devices and Their Applications
作者：晴天
