SiC MOSFET逆变器的创新应用

电动汽车（EV）制造商在电动汽车市场不断崛起之前，仍需克服多项关键挑战。尽管电动汽车已经在缩小与传统燃油汽车的市场份额差距方面取得了显著进展，但仍面临着一系列问题。其中最主要的挑战包括续航里程和充电时间的提升。

此外，电动汽车的成本也是一个关键问题。据一些消息来源称，一辆新电动汽车的平均成本高达65,000美元，比传统汽车贵出约20,000美元。随着全球对能源效率和环保的关注不断增加，汽车制造商和供应商必须在不牺牲性能、可靠性或增加成本的前提下提高整个系统的效率。

为了应对这些挑战，一种解决方案是显著提高电动汽车动力系统的电压。因此，有人开始积极探索将电压提高到800V甚至更高的电压水平。这一举措将带来多重好处，包括缩短充电时间、减小电池系统尺寸从而降低车辆重量，以及减少对贵金属的需求。

在这个电动交通领域中，还存在着另一个工程性挑战，即需要高效的逆变器，以实现高开关频率和更高的功率密度。这些电源模块需要具备更高的工作温度和更长的使用寿命，通常达到15年。为了应对这一需求，传统的硅（Si）基绝缘栅双极晶体管技术正逐渐被碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）所取代。

IGBT 与 MOSFET

以硅为基础的四层绝缘栅双极晶体管（IGBT）半导体一直占据电力电子市场的主导地位，然而，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）半导体技术正迅速进步，得到广泛应用。

这些化合物材料半导体，也被称为宽带隙（WBG）器件，相较于硅，具有更快的开关速度和更高的工作电压。采用SiC MOSFET和GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的逆变器具有更低的导通电阻，从而消耗更少的功率并减少了开关和传导损耗。与硅IGBT相比，这些器件的效率提高了50%。

在轻负载或中等负载下，它们的性能令人印象深刻。使用1,200V SiC MOSFET和相同额定电压的续流二极管的210千瓦逆变器在10千赫兹下运行，能够实现接近99%的效率。

采用SiC MOSFET后，800V系统架构可通过单个三相电源模块提供350千瓦的功率；而要实现相同功率输出，至少需要并联两个功率模块。这将需要更多的空间、双倍的栅极驱动器板，并需要更复杂的直流母线/母线结构。

SiC逆变器的高耐温性进一步提高了效率。在800V应用中，根据全球协调轻型车辆测试程序（该程序用于测量车辆排放、燃油效率和行驶里程的全球行驶循环测试），与IGBT相比，热损失将增加六倍。考虑到目前的电动汽车通常采用400V系统，其中Si IGBT的相对低效率还能够被接受，通常仅比SiC MOSFET多两到三倍。

800V系统还为当前电动汽车中可能不常见的新技术提供了机会。例如，再生制动会额外增加20至30V的电压。对于反激式转换器，需要额外增加150至200V的电压。这些需求可能将系统要求提高至至少1.33kV，远远超出了Si IGBT的工作范围。

虽然碳化硅具有明显的性能优势，但其广泛应用并未如某些人所希望或预测的那样迅速普及。其中一个主要原因是材料成本。尽管目前SiC的制造成本较高于Si，但从整个生命周期来看，SiC可能会在能源使用方面带来有意义的节省，超过了初始成本。

MOSFET改变电动汽车的案例

全球电动汽车的加权平均电池容量正在上升，这导致了更高的车辆成本并加大了电池供应链的压力。此外，长时间的充电对于那些习惯于5分钟内加油的驾驶员来说并不方便。SiC MOSFET可以帮助解决所有这些问题。

通过采用SiC WBG器件来推动800V架构的发展，我们取得了引人注目的进展。采用800V架构、搭载50千瓦时电池和200英里的续航里程的电动汽车，通过使用SiC MOSFET代替Si IGBT，可以实现10%的效率提升。这将能耗降低至每千瓦时大约4.4英里，从而使相同续航里程的电池容量潜在减少4至5千瓦时。

根据Munro & Associates的说法，按照目前的平均价格计算，仅电池组就可以节省500至600美元，大致相当于特斯拉Model Y上SiC逆变器的总成本。同样地，在配备77千瓦时电池的平台上进行的Wolfspeed测试表明，使用SiC WBG可以在不影响续航里程的情况下将电池容量减少7%，或者在相同容量下增加续航里程7%。这对于电池尺寸来说是一个显著的改进。

尽管对于单个车辆而言，提高效率虽然重要，但幅度相对有限。然而，当考虑到未来可能有数千万辆电动汽车时，SiC逆变器可以节省约225千兆瓦时的电池制造产能。这超出了未来20年内越野电动汽车行业（例如重型设备、船只、航空航天等）预计的总电池需求。这将为制造业带来显著优势，使其能够更多关注个人电动汽车，并有助于缓解制造瓶颈。

最后，碳化硅逆变器将有助于驾驶员更快地为电动汽车充电，减轻消费者对续航里程的焦虑。由于SiC具有更高的工作温度和更快的开关速度，因此它是用于快速充电解决方案的理想半导体材料，尤其适用于涉及大电流和快速切换的交流到直流充电系统，因此需要良好的热管理。至于硅基氮化镓器件（GaN），虽然其高达200千赫兹的开关速度使其适用于电动汽车充电器和转换器，但目前其可制造性仍然存在限制，主要受到电压方面的制约。

当前，电动汽车行业正在逐步采用SiC技术，并逐渐过渡到800V电动汽车。这一发展将鼓励更多驾驶员接受电动汽车技术，并有望在未来几十年内满足全球各地的关键环境和交通法规要求。同时，我们也期待着未来GaN技术的发展，特别是如果其可制造性能得到改进，它可能会对SiC逆变器的市场份额构成挑战。