碳化硅在新能源車中的主要應(yīng)用

一、SIC被應(yīng)用的原因

1.助力新能源汽車提升加速度

新能源汽車的加速性能與動(dòng)力系統(tǒng)輸出的最大功率和最大扭矩密切相關(guān)，碳化硅（SiC）技術(shù)允許驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)承受更大輸入功率，且不怕電流過(guò)大導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗，這就意味著車輛起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以輸出更大扭矩，強(qiáng)化加速能力。

2.助力新能源汽車降低系統(tǒng)成本

雖然SiC 器件成本略高于硅基器件，但采用SiC器件實(shí)現(xiàn)了電池成本的大幅下降和續(xù)航里程的提升，從而有效降低了整車成本。

3.助力新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化

輕量化是整車廠的不懈追求，由于SiC 材料載流子遷移率高，能提供較高的電流密度，相同功率等級(jí)下封裝尺寸更小，以IPM 為例，SiC 功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的2/3 ～ 1/3[3]。SiC 能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)，減少濾波器和無(wú)源器件如變壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量；SiC 禁帶寬度寬且具有良好的熱導(dǎo)率，可以使器件工作于較高的環(huán)境溫度中，從而減少散熱器體積；同時(shí)SiC 可以降低開(kāi)關(guān)與導(dǎo)通損耗，使系統(tǒng)效率提升，同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量，有助于車輛輕量化。以羅姆公司設(shè)計(jì)的SiC 逆變器為例，使用全SiC 模組后，主逆變器尺寸降低43%，重量降低6 kg。

二、主要應(yīng)用部件

（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(duì)冷卻系統(tǒng)的要求較高。
在電動(dòng)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(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的體積。SiC功率器件工作結(jié)溫已經(jīng)達(dá)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(dòng)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(wú)源元件體積的減小意味著整個(gè)變換器體積的減小，功率密度的提高。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：電動(dòng)汽車中主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器拓?fù)溆卸喾N，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(shí)，損耗還會(huì)進(jìn)一步降低，開(kāi)關(guān)頻率為 15 kHz 時(shí)，SiC BJT逆變器的損耗降低了67%。

（4）碳化硅也可以用于制造電動(dòng)汽車的電池。電池是電動(dòng)汽車的核心部件，而碳化硅具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和高的熱穩(wěn)定性，可以有效地降低電池的溫度，延長(zhǎng)電池壽命。此外，碳化硅還可以用于制造電池端子，提高電池的輸出功率和充電速度。

碳化硅在新能源車中的主要應(yīng)用場(chǎng)景為主逆變器、車載充電器與 DC/DC 變換器，其中約80%的市場(chǎng)規(guī)模來(lái)自于汽車主逆變，17%來(lái)自于車載充電器 OBC。車載領(lǐng)域，SiC功率器件主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC轉(zhuǎn)換器）、非車載充電樁等核心電控領(lǐng)域，提供更高效的電能轉(zhuǎn)換。

三、發(fā)展SIC的企業(yè)

來(lái)源于半導(dǎo)體綜研，作者關(guān)牮 JamesG

審核編輯：湯梓紅