用于电动汽车电力电子的碳化硅器件：优势与挑战

随着对电动汽车（EV）需求的持续增长，制造商正在比较两种半导体技术，即碳化硅和硅，用于电力电子应用。碳化硅（SiC）具有耐高温、低功耗、刚性，并支持EV电力电子设备所需的更小、更薄的设计。SiC当前应用的示例包括车载DC/DC转换器、非车载直流快速充电器、车载电池充电器、电动汽车动力总成和LED汽车照明。

据《汽车世界》报道，随着电池和电机制造商达到现有技术的物理极限，需要开发更高效的传动系统，SiC技术还可以推动未来的电动汽车创新。在接受半导体工程采访时，Cree首席技术官约翰·帕尔莫（John Palmour）以电动汽车行业，尤其是工程师可以欣赏的方式将碳化硅与硅进行了比较。“你可以用碳化硅制造你真正想要的硅器件，但由于硅的物理特性，在这个电压范围内是不实用的。

带隙的重要性

碳化硅在电动汽车应用和其他电力电子设备中的实用性在很大程度上取决于其宽带隙，宽带隙以电子伏特（eV）为单位测量，并描述了将电子从材料的价带激发到其导带所需的能量。硅（Si）是一种半导体，长期以来一直是集成电路（IC）和光伏晶圆的首选材料，其带隙为1.12 eV。砷化镓（GaAs）是一种用于太阳能电池的半导体，其带隙为1.42 eV。相比之下，碳化硅的带隙明显更宽，为3.26 eV。

凭借这种更宽的带隙，碳化硅更适合更高功率的应用和与之相关的更高温度。带隙与击穿电压有关，击穿电压是绝缘体的一部分变得导电的点。硅的击穿电压约为600V，但基于SiC的器件可以承受高达<>倍的电压。由于带隙会随着温度的升高而缩小，因此更宽的带隙材料也可以承受更高的温度。碳化硅的刚性也提供了一个稳定的结构，不会因热而膨胀或收缩。

碳化硅的更宽带隙还支持更快、更高效的开关和更小、更薄的器件。由于碳化硅的电压差或电位差不需要分布在尽可能多的材料上，因此SiC器件的厚度可以小于Si器件厚度的十分之一。这些更快、更薄的解决方案具有更小的阻力，因此更少的能量损失在热量中，从而提高效率。此外，碳化硅更高的导热性允许更有效地传输热量，并且可以减少或消除对散热器的需求。

用于电动汽车电力电子的碳化硅器件：优势与挑战

据报道，Cree估计，去年全球碳化硅器件市场首次超过100亿美元。如今，该公司的SiC解决方案正在为不断增长的电动汽车市场中的各种高压、高温组件提供支持。由于电动汽车的不同系统由不同的电压供电，因此一些硅器件还需要将正确的电压转换并分配给车窗升降机、照明、推进器和暖通空调。与硅器件相比，SiC技术以更高的速度、可靠性和效率支持这些功能。

碳化硅卓越的开关速度也支持开发更快的充电器。板外充电器将输入的交流电转换为直流电，用于电池存储。车载电池充电器将来自电池的直流电转换为交流电，供主驱动电机使用。碳化硅比硅更快地执行这些功能，并且热量和能量损失更少。此外，碳化硅组件的尺寸可以是硅器件的一半（或更小）。随着碳化硅制造商继续减少材料缺陷，碳化硅器件的价格预计将下降，这对未来的电动汽车应用来说是一个优势。

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审核编辑：彭菁