雖然硅幾乎達(dá)到了它的理論極限，但碳化硅功率器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度的可靠性和成熟度，在汽車領(lǐng)域提供了快速開關(guān)和前所未有的效率水平。本文基于PGC Consultancy 進(jìn)行的分析，解釋了 SiC 將如何在從 400V 到 800V（及以上）電動(dòng)汽車系統(tǒng)的過渡中發(fā)揮重要作用。

在之前的文章“ SiC 功率器件：降低成本以推動(dòng)采用”中，分析了 SiC 器件的成本，證明了為什么 SiC MOSFET 的成本是相同 Si IGBT 的 2 倍到 3 倍，并試圖預(yù)測(cè)如何實(shí)現(xiàn)這些的價(jià)格會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。

圖 1：圖形映射 Si 和 SiC 功率器件

映射電源設(shè)備

圖 1 繪制了來自不同制造商、額定電壓分別為 650 V、1，200 V 和 1，700 V 的 2021 代 SiC MOSFET，其中它們的特定導(dǎo)通電阻與額定電壓作了對(duì)比。硅基 MOSFET 和 IGBT 也被包括在內(nèi)以供參考。

圖中的對(duì)角線代表每種材料的單極極限——即對(duì)于給定的額定電壓，理論上可能的最低電阻。該限制表明，MOSFET 擊穿電壓增加 2 倍將導(dǎo)致器件電阻增加約 4.5 倍。正如前面提到的文章中已經(jīng)指出的，較低的比導(dǎo)通電阻是降低 SiC 功率器件成本的重要因素。在評(píng)估這些圖表時(shí)，請(qǐng)記住，即使設(shè)備遠(yuǎn)離理想的單極極限，它仍然可以是一個(gè)好的設(shè)備。但是，因?yàn)樗穆闫叽鐣?huì)更大，所以它的成本會(huì)更高。這就是為什么為了最大限度地提高產(chǎn)量，制造商將致力于縮小其技術(shù)以盡可能接近單極極限。

SiC 與 Si 功率器件

如圖 1 所示，最新一代的 Si 器件幾乎是最優(yōu)的，因?yàn)樗鼈冎械拇蠖鄶?shù)都非常接近單極極限。這些器件在低于 100 V 時(shí)開始表現(xiàn)出它們的下限，此時(shí)由于襯底、JFET 和溝道的固定電阻開始主導(dǎo)器件的總電阻。雖然所檢查的兩個(gè) Si IGBT 低于硅的單極極限，但與其他單極器件相比，它們涉及顯著的開關(guān)損耗。因此，在 SiC 出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)人員有兩種基于硅的選擇：在低壓下運(yùn)行的快速開關(guān) MOSFET 或在中高壓和高壓下運(yùn)行的慢速開關(guān) IGBT。

固定電阻意味著額定電壓為 650 V 的 SiC MOSFET 并不是非常接近單極極限。它們的電阻足夠高，以至于今天的 650V IGBT 變體、溝槽門控場(chǎng)截止技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比這些 SiC MOSFET 更低的傳導(dǎo)損耗。然而，當(dāng)兩個(gè)器件都在相同的開關(guān)頻率下工作時(shí)，與 IGBT 的大開關(guān)損耗相比，傳導(dǎo)損耗的這種小幅增加可以忽略不計(jì)。

這就是讓特斯拉能夠在 650 V 下展示更快開關(guān)、更高效率的解決方案的原因，盡管其 2018 年 Model 3 逆變器的重量大約是日產(chǎn)聆風(fēng)逆變器重量的 40%，而其功率僅為特斯拉的一半。效率優(yōu)勢(shì)將允許減少車輛所需的昂貴和重型電池的數(shù)量，從而收回組件成本。

在 1，200 V 時(shí)，SiC MOSFET 證明了其卓越的特性，其特定導(dǎo)通電阻更接近 SiC 單極極限。這些器件在 1，200 V 時(shí)比單極極限高 14 至 33 倍，而在 650 V 時(shí)為 35 至 90 倍。如圖 2 所示，650 V SiC MOSFET 的功率密度為 2 倍，功率密度為 6.5 倍開關(guān)損耗低于 650-V Si IGBT。這些差異在更高的電壓下被放大，與 1，200-V Si IGBT 相比，1，200-V SiC 器件的功率密度高 16 倍，開關(guān)損耗低 11 倍。

圖 2：SiC MOSFET 和等效額定 Si IGBT 之間的比較

SiC 支持 800-V EV 電池

在 EV 市場(chǎng)中，將 400 V 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)翻倍至 800 V 有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)源于一個(gè)簡(jiǎn)單的想法，即電壓加倍允許通過相同的電纜傳輸兩倍的功率，或者保持相同的功率將允許傳輸一半的電流（或兩者之間的權(quán)衡位置）。一方面，更大的功率傳輸導(dǎo)致重新排列的電池組的充電速度更快。另一方面，減少電流將允許減少電機(jī)周圍的銅繞組，從而減少其尺寸和重量，同時(shí)電纜重量也可能類似地減少。這些好處對(duì)整體系統(tǒng)效率、范圍擴(kuò)展和/或系統(tǒng)成本降低具有重大影響。

從對(duì)當(dāng)今最先進(jìn)的 SiC 器件的分析中可以清楚地看出，SiC 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，在最大限度地提高電動(dòng)汽車向 800 V 總線過渡的潛力方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在 1，200 V 時(shí)，SiC 開始大顯身手，除了可靠性問題、設(shè)計(jì)遺留問題和/或保守的應(yīng)用空間，這些都是堅(jiān)持使用 Si IGBT 的原因。因此，對(duì)于最近的保時(shí)捷 Taycan，這是一個(gè)懸而未決的問題，盡管過渡到 800 V，但 Si IGBT 解決方案勝出，而同時(shí)，900 V Lucid Air 選擇了 SiC MOSFET。

結(jié)論

總而言之，Si 技術(shù)已盡可能成熟，MOSFET 即將問世，IGBT 技術(shù)已成熟。SiC 是一個(gè)相對(duì)較新的產(chǎn)品，但僅經(jīng)過十年和三代設(shè)備，SiC MOSFET 已被證明與 Si IGBT 具有競(jìng)爭(zhēng)力。這項(xiàng)研究支持了 PGC 咨詢公司長期以來的說法：雖然 SiC 在 650 V 時(shí)毫無疑問地表現(xiàn)出色，但在 1，200 V 及以上時(shí)它會(huì)不斷變得更好。