碳化硅推动通往高压电动汽车电池的道路

虽然硅几乎达到了它的理论极限，但碳化硅功率器件已经实现了高度的可靠性和成熟度，在汽车领域提供了快速开关和前所未有的效率水平。本文基于PGC Consultancy 进行的分析，解释了 SiC 将如何在从 400V 到 800V（及以上）电动汽车系统的过渡中发挥重要作用。

在之前的文章“ SiC 功率器件：降低成本以推动采用”中，分析了 SiC 器件的成本，证明了为什么 SiC MOSFET 的成本是相同 Si IGBT 的 2 倍到 3 倍，并试图预测如何实现这些的价格会随着时间的推移而下降。

图 1：图形映射 Si 和 SiC 功率器件

映射电源设备

图 1 绘制了来自不同制造商、额定电压分别为 650 V、1，200 V 和 1，700 V 的 2021 代 SiC MOSFET，其中它们的特定导通电阻与额定电压作了对比。硅基 MOSFET 和 IGBT 也被包括在内以供参考。

图中的对角线代表每种材料的单极极限——即对于给定的额定电压，理论上可能的最低电阻。该限制表明，MOSFET 击穿电压增加 2 倍将导致器件电阻增加约 4.5 倍。正如前面提到的文章中已经指出的，较低的比导通电阻是降低 SiC 功率器件成本的重要因素。在评估这些图表时，请记住，即使设备远离理想的单极极限，它仍然可以是一个好的设备。但是，因为它的裸片尺寸会更大，所以它的成本会更高。这就是为什么为了最大限度地提高产量，制造商将致力于缩小其技术以尽可能接近单极极限。

SiC 与 Si 功率器件

如图 1 所示，最新一代的 Si 器件几乎是最优的，因为它们中的大多数都非常接近单极极限。这些器件在低于 100 V 时开始表现出它们的下限，此时由于衬底、JFET 和沟道的固定电阻开始主导器件的总电阻。虽然所检查的两个 Si IGBT 低于硅的单极极限，但与其他单极器件相比，它们涉及显着的开关损耗。因此，在 SiC 出现之前，设计人员有两种基于硅的选择：在低压下运行的快速开关 MOSFET 或在中高压和高压下运行的慢速开关 IGBT。

固定电阻意味着额定电压为 650 V 的 SiC MOSFET 并不是非常接近单极极限。它们的电阻足够高，以至于今天的 650V IGBT 变体、沟槽门控场截止技术可以实现比这些 SiC MOSFET 更低的传导损耗。然而，当两个器件都在相同的开关频率下工作时，与 IGBT 的大开关损耗相比，传导损耗的这种小幅增加可以忽略不计。

这就是让特斯拉能够在 650 V 下展示更快开关、更高效率的解决方案的原因，尽管其 2018 年 Model 3 逆变器的重量大约是日产聆风逆变器重量的 40%，而其功率仅为特斯拉的一半。效率优势将允许减少车辆所需的昂贵和重型电池的数量，从而收回组件成本。

在 1，200 V 时，SiC MOSFET 证明了其卓越的特性，其特定导通电阻更接近 SiC 单极极限。这些器件在 1，200 V 时比单极极限高 14 至 33 倍，而在 650 V 时为 35 至 90 倍。如图 2 所示，650 V SiC MOSFET 的功率密度为 2 倍，功率密度为 6.5 倍开关损耗低于 650-V Si IGBT。这些差异在更高的电压下被放大，与 1，200-V Si IGBT 相比，1，200-V SiC 器件的功率密度高 16 倍，开关损耗低 11 倍。

图 2：SiC MOSFET 和等效额定 Si IGBT 之间的比较

SiC 支持 800-V EV 电池

在 EV 市场中，将 400 V 系统标准翻倍至 800 V 有几个优势。这些优势源于一个简单的想法，即电压加倍允许通过相同的电缆传输两倍的功率，或者保持相同的功率将允许传输一半的电流（或两者之间的权衡位置）。一方面，更大的功率传输导致重新排列的电池组的充电速度更快。另一方面，减少电流将允许减少电机周围的铜绕组，从而减少其尺寸和重量，同时电缆重量也可能类似地减少。这些好处对整体系统效率、范围扩展和/或系统成本降低具有重大影响。

从对当今最先进的 SiC 器件的分析中可以清楚地看出，SiC 是一种宽带隙半导体，在最大限度地提高电动汽车向 800 V 总线过渡的潜力方面发挥着关键作用。在 1，200 V 时，SiC 开始大显身手，除了可靠性问题、设计遗留问题和/或保守的应用空间，这些都是坚持使用 Si IGBT 的原因。因此，对于最近的保时捷 Taycan，这是一个悬而未决的问题，尽管过渡到 800 V，但 Si IGBT 解决方案胜出，而同时，900 V Lucid Air 选择了 SiC MOSFET。

结论

总而言之，Si 技术已尽可能成熟，MOSFET 即将问世，IGBT 技术已成熟。SiC 是一个相对较新的产品，但仅经过十年和三代设备，SiC MOSFET 已被证明与 Si IGBT 具有竞争力。这项研究支持了 PGC 咨询公司长期以来的说法：虽然 SiC 在 650 V 时毫无疑问地表现出色，但在 1，200 V 及以上时它会不断变得更好。　　

      审核编辑：彭静