SiC器件的優(yōu)缺點介紹

在電動汽車驅動控制器中，逆變器是實現能量交直流轉化的關鍵部件，用于電機的驅動或制動時的能量回收。市場對于控制器的能量傳輸效率、功率密度、價格等方面的要求越來越高。而功率模塊又是逆變器實現高傳輸效率、高功率密度的關鍵器件，目前電動汽車驅動逆變器絕大部分是基于傳統(tǒng)Si（硅）器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）功率模塊的設計，存在開關頻率低、損耗大的缺點，制約了電動汽車驅動器功率密度的提高。

SiC（碳化硅）與Si器件相比存在三方面優(yōu)勢：更高的擊穿電壓強度；更低的損耗；更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件可以用在高電壓、高開關頻率、高功率密度的場合。隨著SiC模塊功率制造水平的提高，SiC將會是越來越適合電動汽車驅動器的半導體器件，采用SiC器件是實現電動汽車驅動器高功率密度的有效手段。目前，將SiC功率模塊應用于電機驅動逆變器的研究越來越多，豐田汽車公司已經在混合動力車上應用了SiC功率模塊。

與Si器件相比，使用SiC器件有很大的優(yōu)勢

效率高，提高整車行駛里程

由于Si IGBT的導通壓降呈現二極管特性：即使導通電流很小，IGBT也有較大的初始導通壓降。而SiC MOSFET的導通壓降呈現電阻特性：其導通壓降與導通電流成正比。Si IGBT和SiC MOSFET兩種不同的導通壓降特性決定了只有在電流非常大時，SiC MOSFET的導通損耗才會比Si IGBT高，而在大部分電流區(qū)間，SiC MOSFET的導通損耗要優(yōu)于Si IGBT。在整車工況中，大部分均為小電流工況，而大扭矩工況在整車路譜中的占比很小。而隨著SiC芯片技術的發(fā)展，未來SiC MOSFET的導通阻抗將全面優(yōu)于Si IGBT。

因此，使用SiC器件后，逆變器的轉換效率可以得到明顯提升，從而對于相同的電池包，使用SiC器件可以有效提高整車的行駛里程。

體積小，功率密度高

由于SiC器件具有損耗低的特點，因此，與Si器件相比，SiC器件只需要更小的芯片面積就可以實現相同的輸出功率。與此同時，SiC器件可以工作在高頻，有利于減小功率器件周邊無源器件的體積。聯(lián)合電子開發(fā)的SiC逆變器，在相同的功率等級下，體積比已批產的Si逆變器降低一半以上。

開關頻率高，優(yōu)化系統(tǒng)噪聲

目前Si逆變器的常用開關頻率為5-10kHz，系統(tǒng)會產生5-20kHz的開關噪聲，該噪聲在人耳可以聽到的頻率范圍內，易使人產生不舒適感。而使用SiC器件后，通過提高開關頻率到40kHz，可以使得系統(tǒng)產生的開關噪聲頻率超過人耳可以聽到的頻率范圍。與此同時，開關頻率提升后有利于降低電流控制諧波，從而降低電磁噪聲，提高整車的行駛體驗。

但是目前使用SiC器件也存在很大的挑戰(zhàn)

SiC器件的價格較高

由于目前SiC芯片的工藝不如Si成熟，主要為4英寸晶圓，材料的利用率不高，而Si芯片的晶圓已經發(fā)展到8寸甚至12寸。另一方面，市場上對SiC芯片的需求也還未起量，也從另一方面導致了SiC芯片的成本比較高。

SiC器件封裝技術發(fā)展滯后

目前世界上很多主流功率器件供應商均對SiC芯片進行了研究與開發(fā)，但是相比之下，SiC器件的封裝技術的發(fā)展滯后。與Si芯片相比，SiC芯片的耐溫更高，其工作溫度甚至可以超過200度，但是目前SiC模塊所使用的封狀技術還是沿用Si模塊的設計，其可靠性和壽命均無法滿足200度的工作要求。SiC芯片的應用條件受到限制。

驅動保護技術

與Si芯片相比，SiC芯片的短路耐受能力大大降低，因此，為了防止SiC器件在運用過程中發(fā)生短路失效，需要驅動電路具備更低的響應時間，這對SiC器件驅動電路的保護技術提出了很大的挑戰(zhàn)。

熱設計

由于單個SiC芯片的面積較小，因此，為了實現大功率輸出，需要并聯(lián)使用更多的芯片數目。如何對模塊內部的芯片進行合理的layout設計以保證各芯片間的熱平衡，以及對芯片的熱點溫度進行監(jiān)控，是一個很大的挑戰(zhàn)。

高開關速度帶來的EMI和絕緣問題

與Si器件相比，SiC器件的開關速度可以得到顯著提高，開關過程中的di/dt和dv/dt均得以提高，雖然這有助于減小器件的開關損耗，但是另一方面其會產生嚴重的EMI問題，如何對控制電路及濾波電路進行合理設計來對EMI進行抑制，也是一個重要的課題。與此同時，高dv/dt對電機繞組的絕緣帶來不利影響，可能會加速漆包線、絕緣環(huán)等絕緣件的老化，因此對電機的絕緣設計帶來了新的挑戰(zhàn)。

總結

雖然目前SiC器件的工藝不如Si成熟，SiC封裝的發(fā)展相對滯后，器件價格也比Si高出好幾倍。但是隨著器件工藝的成熟以及市場對SiC器件的需求越來越高，這些劣勢將會被逐步抹平，而SiC器件與生俱來的高耐壓、高開關頻率、低損耗等各方面的優(yōu)勢，也決定了未來其可以作為一種非常有競爭力的材料得到越來越廣泛的運用。