SiC MOSFET逆變器的創(chuàng)新應(yīng)用

電動(dòng)汽車(chē)（EV）制造商在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)不斷崛起之前，仍需克服多項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。盡管電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)在縮小與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的市場(chǎng)份額差距方面取得了顯著進(jìn)展，但仍面臨著一系列問(wèn)題。其中最主要的挑戰(zhàn)包括續(xù)航里程和充電時(shí)間的提升。

此外，電動(dòng)汽車(chē)的成本也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。據(jù)一些消息來(lái)源稱，一輛新電動(dòng)汽車(chē)的平均成本高達(dá)65,000美元，比傳統(tǒng)汽車(chē)貴出約20,000美元。隨著全球?qū)δ茉葱屎铜h(huán)保的關(guān)注不斷增加，汽車(chē)制造商和供應(yīng)商必須在不犧牲性能、可靠性或增加成本的前提下提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，一種解決方案是顯著提高電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的電壓。因此，有人開(kāi)始積極探索將電壓提高到800V甚至更高的電壓水平。這一舉措將帶來(lái)多重好處，包括縮短充電時(shí)間、減小電池系統(tǒng)尺寸從而降低車(chē)輛重量，以及減少對(duì)貴金屬的需求。

在這個(gè)電動(dòng)交通領(lǐng)域中，還存在著另一個(gè)工程性挑戰(zhàn)，即需要高效的逆變器，以實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)頻率和更高的功率密度。這些電源模塊需要具備更高的工作溫度和更長(zhǎng)的使用壽命，通常達(dá)到15年。為了應(yīng)對(duì)這一需求，傳統(tǒng)的硅（Si）基絕緣柵雙極晶體管技術(shù)正逐漸被碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiC MOSFET）所取代。

IGBT 與 MOSFET

以硅為基礎(chǔ)的四層絕緣柵雙極晶體管（IGBT）半導(dǎo)體一直占據(jù)電力電子市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，然而，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體技術(shù)正迅速進(jìn)步，得到廣泛應(yīng)用。

這些化合物材料半導(dǎo)體，也被稱為寬帶隙（WBG）器件，相較于硅，具有更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的工作電壓。采用SiC MOSFET和GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的逆變器具有更低的導(dǎo)通電阻，從而消耗更少的功率并減少了開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗。與硅IGBT相比，這些器件的效率提高了50%。

在輕負(fù)載或中等負(fù)載下，它們的性能令人印象深刻。使用1,200V SiC MOSFET和相同額定電壓的續(xù)流二極管的210千瓦逆變器在10千赫茲下運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)接近99%的效率。

采用SiC MOSFET后，800V系統(tǒng)架構(gòu)可通過(guò)單個(gè)三相電源模塊提供350千瓦的功率；而要實(shí)現(xiàn)相同功率輸出，至少需要并聯(lián)兩個(gè)功率模塊。這將需要更多的空間、雙倍的柵極驅(qū)動(dòng)器板，并需要更復(fù)雜的直流母線/母線結(jié)構(gòu)。

SiC逆變器的高耐溫性進(jìn)一步提高了效率。在800V應(yīng)用中，根據(jù)全球協(xié)調(diào)輕型車(chē)輛測(cè)試程序（該程序用于測(cè)量車(chē)輛排放、燃油效率和行駛里程的全球行駛循環(huán)測(cè)試），與IGBT相比，熱損失將增加六倍?？紤]到目前的電動(dòng)汽車(chē)通常采用400V系統(tǒng)，其中Si IGBT的相對(duì)低效率還能夠被接受，通常僅比SiC MOSFET多兩到三倍。

800V系統(tǒng)還為當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)中可能不常見(jiàn)的新技術(shù)提供了機(jī)會(huì)。例如，再生制動(dòng)會(huì)額外增加20至30V的電壓。對(duì)于反激式轉(zhuǎn)換器，需要額外增加150至200V的電壓。這些需求可能將系統(tǒng)要求提高至至少1.33kV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Si IGBT的工作范圍。

雖然碳化硅具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，但其廣泛應(yīng)用并未如某些人所希望或預(yù)測(cè)的那樣迅速普及。其中一個(gè)主要原因是材料成本。盡管目前SiC的制造成本較高于Si，但從整個(gè)生命周期來(lái)看，SiC可能會(huì)在能源使用方面帶來(lái)有意義的節(jié)省，超過(guò)了初始成本。

MOSFET改變電動(dòng)汽車(chē)的案例

全球電動(dòng)汽車(chē)的加權(quán)平均電池容量正在上升，這導(dǎo)致了更高的車(chē)輛成本并加大了電池供應(yīng)鏈的壓力。此外，長(zhǎng)時(shí)間的充電對(duì)于那些習(xí)慣于5分鐘內(nèi)加油的駕駛員來(lái)說(shuō)并不方便。SiC MOSFET可以幫助解決所有這些問(wèn)題。

通過(guò)采用SiC WBG器件來(lái)推動(dòng)800V架構(gòu)的發(fā)展，我們?nèi)〉昧艘俗⒛康倪M(jìn)展。采用800V架構(gòu)、搭載50千瓦時(shí)電池和200英里的續(xù)航里程的電動(dòng)汽車(chē)，通過(guò)使用SiC MOSFET代替Si IGBT，可以實(shí)現(xiàn)10%的效率提升。這將能耗降低至每千瓦時(shí)大約4.4英里，從而使相同續(xù)航里程的電池容量潛在減少4至5千瓦時(shí)。

根據(jù)Munro & Associates的說(shuō)法，按照目前的平均價(jià)格計(jì)算，僅電池組就可以節(jié)省500至600美元，大致相當(dāng)于特斯拉Model Y上SiC逆變器的總成本。同樣地，在配備77千瓦時(shí)電池的平臺(tái)上進(jìn)行的Wolfspeed測(cè)試表明，使用SiC WBG可以在不影響續(xù)航里程的情況下將電池容量減少7%，或者在相同容量下增加續(xù)航里程7%。這對(duì)于電池尺寸來(lái)說(shuō)是一個(gè)顯著的改進(jìn)。

盡管對(duì)于單個(gè)車(chē)輛而言，提高效率雖然重要，但幅度相對(duì)有限。然而，當(dāng)考慮到未來(lái)可能有數(shù)千萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，SiC逆變器可以節(jié)省約225千兆瓦時(shí)的電池制造產(chǎn)能。這超出了未來(lái)20年內(nèi)越野電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)（例如重型設(shè)備、船只、航空航天等）預(yù)計(jì)的總電池需求。這將為制造業(yè)帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)，使其能夠更多關(guān)注個(gè)人電動(dòng)汽車(chē)，并有助于緩解制造瓶頸。

最后，碳化硅逆變器將有助于駕駛員更快地為電動(dòng)汽車(chē)充電，減輕消費(fèi)者對(duì)續(xù)航里程的焦慮。由于SiC具有更高的工作溫度和更快的開(kāi)關(guān)速度，因此它是用于快速充電解決方案的理想半導(dǎo)體材料，尤其適用于涉及大電流和快速切換的交流到直流充電系統(tǒng)，因此需要良好的熱管理。至于硅基氮化鎵器件（GaN），雖然其高達(dá)200千赫茲的開(kāi)關(guān)速度使其適用于電動(dòng)汽車(chē)充電器和轉(zhuǎn)換器，但目前其可制造性仍然存在限制，主要受到電壓方面的制約。

當(dāng)前，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)正在逐步采用SiC技術(shù)，并逐漸過(guò)渡到800V電動(dòng)汽車(chē)。這一發(fā)展將鼓勵(lì)更多駕駛員接受電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)，并有望在未來(lái)幾十年內(nèi)滿足全球各地的關(guān)鍵環(huán)境和交通法規(guī)要求。同時(shí)，我們也期待著未來(lái)GaN技術(shù)的發(fā)展，特別是如果其可制造性能得到改進(jìn)，它可能會(huì)對(duì)SiC逆變器的市場(chǎng)份額構(gòu)成挑戰(zhàn)。