ST用于电动汽车的碳化硅分立产品和模块介绍

电源转换效率对于新能源的部署和采用至关重要，包括太阳能和电池供电的应用。在最近的 ST 开发者大会上，ST 的 Alfredo Arno概述了电子功率元件，比较了用于功率转换的硅和新型宽带隙材料，重点介绍了 ST 用于电动汽车的碳化硅（SiC） 分立产品和模块。

事实上，电气化增长最快的领域之一是交通运输——据估计，世界上超过 20% 的能源用于交通运输系统。

用于混合动力和电动汽车的 SiC 组件

在交通运输领域，混合动力和电动汽车正在迅速普及。这些汽车的独特之处之一是它们包含的高压系统的数量。高压电池的电压范围为 400 至 800 伏，许多其他电气系统以不同的方式为该电池供电。这些系统包括辅助电源、DC-DC 转换器、牵引逆变器以及电池管理系统本身。牵引逆变器为电机供电，对于车辆在需要充电之前可以运行多长时间至关重要。此外，车载充电器补充电池：我们可以放入电池的电量越大，充电速度就越快。电子功率元件在每个系统中都很重要，不仅因为它们提供的性能，还因为效率：对于电动汽车，尺寸、重量和体积很重要，因为这是一个移动系统，更高效的系统可能更轻、更多紧凑，在引擎盖下需要更小的占地面积。

混合动力和电动汽车包含许多高压系统

为满足高压电气系统对高性能、高效率组件的要求，意法半导体开发了一系列基于碳化硅的 MOSFET 和二极管，非常适合需要在紧凑型中实现高电压和高密度功率转换的汽车应用包裹。

碳化硅具有许多材料特性，使其成为汽车级电子元件的绝佳选择。碳化硅的宽带隙能量是传统硅的三倍，这种更大的带隙使 SiC 器件能够在更高的电压和更高的温度下更有效地工作。SiC 器件还具有比硅快两倍的电子饱和速度，可实现更快的开关转换。然后，硅的介电常数比碳化硅低约 20%，这实际上有助于提高效率，因为在其他条件相同的情况下，它会将寄生电容降低相同的数量。

碳化硅组件：更小、更冷、更高效

宽带隙的一个功能，使碳化硅具有优势的真正重要属性是其临界电场强度为每厘米 3 兆伏，而硅的临界电场强度为每厘米 0.2 兆伏。这意味着碳化硅提供的临界电场能力是传统硅的 10 倍以上。这一点，连同 SiC 的其他几个特性（在此详述），使 ST 能够制造出比硅更小、更高效的基于碳化硅的器件。

碳化硅的导热性也比硅高约三倍，从而能够更快地从组件中散热。这一点很重要，因为随着硅基器件的面积越来越小，将电转换过程产生的热量提取出来变得越来越困难，而碳化硅的散热效果更好。尽管如此，设计师还可以做其他事情，包括提高设备本身的效率，以减少产生的热量。此外，由于碳化硅具有更高的导热性，因此更容易有效地提取产生的热量。

与同等硅解决方案相比，SiC 解决方案更小、更冷且更高效

简而言之，碳化硅让功率器件超越了硅的极限。与传统硅一样，碳化硅的制造和加工更具挑战性，但它对高性能功率转换的许多有利特性使其成为非常值得的替代品。

审核编辑：郭婷