碳化硅在电动汽车车载充电器和电池管理解决方案中的应用

超越汽车，碳化硅革命及其对硅器件的影响

碳化硅设备远非新事物，因为粉末形式的合成版本已在 1890 年代初批量生产，并且该材料在 20 世纪初的第一台收音机中找到了家。第一个 LED 还使用了 SiC 晶体，该晶体在阴极发出黄光。然而，直到现在，这种材料更难集成到复杂的电子系统中，因为基板特别难以制造，使得 SiC 二极管和 MOSFET 过于昂贵。当新的制造方法实现了 SiC 器件的大规模生产时，这一切都发生了变化，这些器件目前正在改变许多依赖高压系统的行业，例如井下石油钻机的电源转换器、数据中心的电源、太阳能逆变器等等。

然而，在为电子展做准备时，我们与 Michael、Vittorio 和 Luigi 坐下来，以更好地了解汽车行业背景下的 SiC，因为它是 SiC 革命的范围和影响的一个很好的例子。确实，虽然碳化硅器件增加了电动汽车的电池寿命，但没有多少人明白这并不意味着更传统的硅元件的消亡。事实上，尽管行业需要 SiC 二极管和 MOSFET 将电动汽车推向更多的车道，但制造商仍将传统的硅 IC 广泛用于所有车辆的数字系统以及低压应用。 每种材料都具有内在特性，可在特定用例中提供巨大的价值和性能。要掌握碳化硅在未来将扮演的角色，我们必须深入研究它的原子结构，看看它在哪些类型的设计中最闪耀。

多型，革命起源的 SiC 晶格

在其最基本的表达中，碳化硅是一种化合物，包含以三维立方、六边形或矩形晶格的形状排列的硅 （Si） 和碳 （C） 原子。这种原子结构解释了为什么 SiC 很难在电子设备中使用，因为它的晶体形式极大地复杂了行业制造 SiC 晶圆和在其上构建设备的能力。此外，SiC 是多晶型的，这意味着晶格可以采用多种形式。SiC 实际上是多晶型半导体之一，因为我们目前知道 250 多种多型，每种都具有特定的电气特性。

例如，3C-SiC 多型体由立方晶格 （3C） 中的三个双层组成。由于其形状提供更高的对称性，电子散射较少，使其成为在室温下具有最高最大电子低场迁移率（1000 cm 2 /Vs 1）的碳化硅结构。另一方面，6H-SiC（六方晶格中的六个双层）的电子迁移率可能不那么有趣，其电子迁移率为 380 cm 2 /Vs，但其较小的对称性使其更容易制造。当涉及到电性能之间的折衷（其电子迁移率达到 947 cm 2/Vs） 和易于制造。

SiC，作为革命驱动力的宽带隙

在所有情况下，晶格中硅和碳原子的排列使 SiC 成为宽带隙 （WBG） 半导体，因为电子能够穿过 SiC 晶格。以最基本的方式，原子包含一个原子核和电子：硅原子有 14 个，碳原子有 6 个。根据能带理论，电子有两种能态，我们通常用两个能带来表示。高能电子属于导带，低能电子属于价带。中间的带是带隙，我们用电子伏特或 eV 来表征。带隙的另一个名称是禁带，因为电子不能存在于其中，这意味着它们要么在导带中，要么在价带中。

在导体中，带隙是不存在的，因为导带和价带重叠。因此，当我们向导体施加电流时，电子将从价带流向导带，从而使电流以最小的电阻通过。相反，绝缘体的禁带超过 9 eV，这意味着在室温下电子不会从价带跃迁到导带，从而阻止电流通过。

最后，半导体也有带隙，这意味着理论上在 0 开尔文时没有导电性，但禁带足够小，电子仍然可以在室温下从价带移动到导带，只要有足够的能量推动他们到后者。硅半导体的带隙在 1 eV 和 1.5 eV 之间，而 SiC 根据多晶型在 2.3 eV 和 3.3 eV 之间波动，因此获得了宽带隙半导体的名称。

字面上更酷，WBG 半导体的优势特性

击穿电压是绝缘体变成导体的最大电压。根据我们的研究，对于击穿电压为 1 V 的硅器件，类似的 6H-SiC 模型对于 4H-SiC 组件需要 56 V 或 46 V。在开发高电压应用时，例如那些依赖于电动汽车电池的应用，Si 器件的低击穿电压是不可取的。此外，SiC 在 1，200 V 时具有如此低的电阻，要实现类似的性能，硅芯片需要大 20 倍，这意味着在高电压下，SiC 可大幅降低开关损耗，进而大幅降低功率损耗。

因此，SiC 不仅在相同的高压条件下产生更低的温度，而且我们的 SiC 器件可以承受高达 200 ºC 的结温，而类似的 Si 组件则徘徊在 150 ºC 左右。此外，根据我们的数据，在 25 kHz 的开关频率下，5 kW 升压转换器中的 SiC MOSFET 将产生 11.1 W 的总功率损耗，而硅绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 的总功率损耗为 25.6 W，并且间隙在 25 kHz 以上迅速增加。

牵引逆变器，WBG 半导体的变革性应用

在高压设计中使用 WBG 半导体意味着工程师现在可以提供更快的开关性能和更高的功率效率，从而转化为更小且更易于冷却的模块。还值得注意的是，在处理较低电压轨时，传统的硅器件仍然具有出色的性能，并且它们无处不在意味着它们将仍然是我们车辆中存在的 12 V 和 48 V 系统的中心。然而，当涉及到 400 V、800 V 或 1，200 V 时，SiC 的固有特性为新的可能性打开了大门。因此，为了透视碳化硅的优势，Michael 的演讲将集中在一个流行的例子：牵引逆变器。

在电动汽车中，牵引逆变器从电池中获取高电压（通常在 400 V 和 800 V 之间），并为驱动汽车的电动机产生三个交流相。

由于新的性能和效率水平，碳化硅的固有特性使工程师能够进入新领域。

超级充电汽车，今天可见的明天的 SiC 革命

碳化硅还减小了电动汽车车载充电器和电池管理解决方案的尺寸，最近导致它们集成到 DC-DC 转换器和配电单元中。 这种卓越的四合一解决方案如今已应用于商用电池供电的电动汽车，并将确保价格实惠的电动汽车的普及。因此，如果 Vittorio Giuffrida 和 Luigi Abbatelli 的研究或 Michael Lütt 的演讲告诉我们一件事，那就是碳化硅已经在改变行业，让无排放汽车更接近普通消费者。因此，当我们说我们的SiC MOSFET和SiC 二极管正在改变这个行业，这是因为我们对宽带隙半导体的掌握已经带来了制造商和司机已经可以享受的真正转变。