纳微GeneSiC碳化硅器件在电动长途卡车的应用详解

4月10日，在武汉举办的2024年世界碳化硅大会获得圆满成功，在大会上，诸多碳化硅产业的专业人员分享了这个行业目前的进展以及相关产业的研究进度。

本次大会上，纳微半导体技术营销经理肖开祥先生分享了以“高压碳化硅为电动长途卡车打造兆瓦级充电”为主题的技术演讲

肖开祥先生是纳微半导体技术市场经理，南京航空航天大学电力电子专业硕士研究生，从事开关电源设计和功率半导体行业十多年。

目前电动卡车需求不断增加。从数据分析来看，预计到2030年，美国电动乘用车市场份额将增长至两倍以上。然而，长途电动卡车市场仍处于起步阶段。2022年售出的电动卡车仅有6万辆，占整个卡车市场的1%。尽管有110款款式，但总体份额仍较小，仍处于萌芽阶段。

美国和其他26个国家签署了cop27谅解备忘录，到2030年，市场上销售的车辆中必须有30%是电动或零排放车辆。虽然零排放车辆包括各种能源类型，但需符合排放标准。到2040年，这一比例将达到100%。

针对电动车的主要问题是充电焦虑和续航焦虑。解决方案包括蔚来的换电方案和将电池电压由400v提升到800v，甚至更高。在碳化硅技术方面，主要关注于快速充电，如华为的超级充电站。这些技术对于电动车的发展至关重要。

Nikola公司是美国早期的零排放电动卡车和燃料电池卡车先驱，尽管其发展不如预期。该公司提供纯电卡车和氢燃料卡车，两者在输出功率和最大功率方面具有明显优势。然而，充电时间和续航能力仍是挑战。

氢燃料电池车的电池系统经过一系列升压和逆变，以驱动电动车的电驱系统。选用碳化硅器件需考虑高电压要求，尤其在电动卡车领域。碳化硅器件的选型至关重要，应符合电压和功率要求。

纯电卡车的未来趋势是向更高功率和更高电压发展。目前乘用车常用的电池系统电压为400V和800V。对于电动卡车，如果没有冷却系统，其功率与普通乘用车相差不大，电池电压为800V或1200V。对于1200V的系统，至少需要使用1700V的碳化硅高压器件。如果采用主动冷却系统，可以达到3.75兆瓦的功率级别。至于为什么在某些情况下选择800V而不是1200V，可能是因为在大功率开关电路中，选择1700V的功率器件是必要的，否则器件的应力可能会超标。

碳化硅器件的技术路线主要有平面型和沟槽型两种。平面型制造简单，成本低，但单位面积电阻较高，开关速度较慢。沟槽型具有更好的性能，但制造复杂，温度敏感度高。在选择器件时需权衡各项指标，以满足电动车的需求。

纳微的GeneSiC SiC MOSFETs的技术路线不同于沟槽和平面栅，是一种新型专利沟槽辅助平面栅技术。这种技术在平面形和沟槽形之间取得了平衡，即在平面器件的基础上添加了一些沟槽，以调整内部的电阻和导通沟道的宽度，从而减小电阻，提高性能。由于它是平面形式，制造工艺相对简单，因此良率更高，但同时也能结合沟槽型的优点。最明显的是，它具有较低的温漂。

纳微的碳化硅产品提供了高达6500V的电压范围，并且符合工规和车规，且部分产品还能够通过高功率并联测试。高功率并联使用时，Vth变化范围很小，器件均流性能更好，长期可靠性更好。例如，针对650V的系统，耐受时间约为5.7微秒，而对于1200V的系统，耐受时间可达到3.5微秒。

在电池系统方面，通常使用400V的电池系统，但对于650V、750V以及更高电压的系统，纳微提供了更丰富的产品组合。其中，1200V和1700V的产品范围最广，涵盖了从10mΩ到295mΩ的电阻范围。这些产品适用于高压电池系统，如800V甚至1200V的系统，满足电动车的需求。

除了单管之外，纳微还提供裸片（bare die）等其他产品，适用于更高电压的应用。这些产品已经在一些电动车的电驱系统中得到了应用，例如一些客户正在使用带封装模块的裸片。

纳微半导体的沟槽辅助平面栅形结构具有优异的动态温度特性。在高温条件下（175°C结温），其温漂率较低，能够降低18%以上，相比其他竞争对手。这意味着纳微产品在高温环境下具有更好的性能，热量产生更少，温度更低。

如上所示，测试数据表明，在相同条件下，纳微GeneSiC SiC MOSFETs比竞争对手低了26℃，损耗少了5W多。这意味着更低的开关损耗和导通损耗，效率更高，可靠性更好。

使用纳微GeneSiC碳化硅器件将有助于减少每颗器件约25千克的碳排放，为环境减排带来巨大的益处。

最后，一个新兴的应用领域是电动飞行汽车。虽然小鹏等公司受到了广泛关注，但在这个领域的电池电压普遍较高，如800V、900V和1000V。在这些应用中，选择器件的额定电压通常会达到1200V和1700V。这个新兴应用领域值得关注。

审核编辑：刘清