碳化硅 (SiC) 是一項創(chuàng)新技術(shù)，將在許多應(yīng)用中取代硅 (Si)。將 SiC 用于電動汽車 (EV) 的想法誕生于努力提高此類車輛的效率和續(xù)航里程，同時降低整車的重量和成本，從而提高控制電子設(shè)備的功率密度。

使用符合設(shè)計參數(shù)的 SiC 解決方案可以有效地增強電動汽車的電力電子設(shè)備，并對系統(tǒng)性能和長期可靠性做出重要貢獻。

SiC 器件越來越多地用于對尺寸、重量和效率有很高要求的高壓功率轉(zhuǎn)換器中，因為與常用的硅相比，它們具有許多吸引人的特性。通態(tài)電阻和開關(guān)損耗要低得多，而且 SiC 的導(dǎo)熱率比硅高約 3 倍，從而可以更快地從組件中散熱。這一點很重要，因為當(dāng) Si 基器件的面積越小，就越難以提取由電轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生的熱量，而 SiC 可以更好地散熱。

許多原始設(shè)備制造商已宣布對電動汽車進行價值數(shù)十億美元的投資，這也得益于對 CO 2排放的限制。未來幾年將采取關(guān)鍵步驟，我們將看到更高比例的電動汽車上路。

這將需要改善可負擔(dān)性、法規(guī)和技術(shù)進步等因素。據(jù)估計，電動汽車通過電動機轉(zhuǎn)換電池能量的效率為 60%。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機相比，這絕對是一個了不起的成就。

然而，提高效率在工程師的優(yōu)先事項列表中居高不下，僅僅是因為它直接轉(zhuǎn)化為更長的續(xù)航里程和/或更小的電池，從而降低了成本——這是大多數(shù)電動汽車無法與傳統(tǒng)汽車競爭的兩個因素。

這些汽車的顯著特點之一是它們包含的高壓系統(tǒng)的數(shù)量。高壓電池的電壓從 400 到 800 V 不等，許多其他電氣系統(tǒng)以不同的方式為該電池供電。這些系統(tǒng)包括車載充電器 (OBC)、用作 12V 輔助設(shè)備的橋梁的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和電池管理系統(tǒng) (BMS) 本身。

電動汽車

電動汽車是全電動汽車，需要至少三種電子單元進行能量轉(zhuǎn)換： DC/DC 轉(zhuǎn)換器，通常從高壓到 12 V 為低壓電子設(shè)備供電；DC/AC 牽引逆變器驅(qū)動電動機，通常是三相電動機，為車輪供電；和 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，用于在制動能量回收期間以及從標準住宅或大功率充電站（用于快速充電）為車輛電池充電。

為了從電池容量中獲得最大的自主權(quán)，整個轉(zhuǎn)換鏈必須達到可能的最大效率。實現(xiàn)具有所需效率的功率器件（二極管和 MOSFET）的技術(shù)已被確定，稱為 SiC，已在一段時間內(nèi)用于實現(xiàn)肖特基二極管，而最近，MOSFET 是開關(guān)元件轉(zhuǎn)換器和逆變器的核心，正在進入量產(chǎn)階段。

牽引逆變器為電機供電，是最關(guān)鍵的，因為它決定了車輛在需要充電之前可以運行多長時間。此外，OBC 為電池充電：我們可以放入電池的電量越多，充電速度就越快。

“在基于 800 V 的 EV 中，與我們一流的硅 IGBT 相比，使用我們的第一代碳化硅技術(shù)可將續(xù)航里程增加 7%，”創(chuàng)新與新興技術(shù)汽車大功率副總裁 Mark Muenzer 說，在英飛凌。“借助我們的下一代 CoolSiC，我們將把這一比例提高到 10% 左右。” 盡管如此，Muenzer 預(yù)測未來 SiC 和硅將在 EV 領(lǐng)域共存，因為 SiC 的成本顯著提高，主要是由于原材料昂貴。

“當(dāng)汽車在部分負載下運行時，碳化硅的優(yōu)勢尤其明顯，”Muenzer 說。“例如，讓我們考慮一輛汽車，每個車軸都有一個電動機。一種用于普通巡航操作；另一個僅在加速過程中需要峰值功率時添加。如果這是一輛峰值功率為 200 kW 的汽車，則第一個逆變器的平均利用率約為 20 kW，因此在部分負載下非常明顯。在這里，碳化硅可能是有意義的，因為效率增益允許使用更小的電池，因此，我可以通過降低電池成本來補償逆變器中較高的碳化硅成本。第二個逆變器僅在一小部分時間內(nèi)處于活動狀態(tài)，并且主要在碳化硅不那么有利的負載下。這里，

板載充電器框圖（來源：英飛凌）

電池和 OBC

電池是電動汽車的基本關(guān)鍵特征，確保有效的充電管理是電動汽車正確運行的基本要素。

電池必須具有非常高的能量存儲密度、接近于零的自損電流以及在幾分鐘而不是幾小時內(nèi)充電的能力。電池管理系統(tǒng)通常包括五個主要電路組：OBC、BMS、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和主逆變器。

電池充電器電源模塊由一個 AC/DC 前端和一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器組成，用于為電池提供充電電壓。AC/DC 部分將電源從市電轉(zhuǎn)換為有用的直流電壓，避免紋波波動。出于安全原因，DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供與車輛底盤的電氣絕緣，同時為車輛提供必要的直流充電電壓。

每個模塊的輸入是交流三相電壓，然后是一個濾波器和一個 DC/DC LLC 級。功率水平在 80 kW 到 150 kW 的范圍內(nèi)，多個 15 到 20 kW 的模塊能夠為插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 和電池電動汽車 (BEV) 電池充電。這種應(yīng)用需要高效率和高功率密度的設(shè)備，這反過來又允許更小的站點。

典型的雙向 OBC 的框圖包括一個圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 級（兩個相同的設(shè)備并聯(lián)工作），然后是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（LLC 諧振回路）。在隔離式柵極驅(qū)動器的控制下，可以使用同步場效應(yīng)晶體管 (FET) 將輸出電壓過濾為最終的直流電壓。

通過用 SiC 器件取代充電器的 AC/DC 模塊中使用 IGBT 或 MOSFET 的基于硅的設(shè)計，電路設(shè)計得到簡化，同時功率密度和效率顯著提高，從而減少了部件數(shù)量和系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。SiC 塊還可以實現(xiàn)允許車輛電池成為智能電網(wǎng)一部分所需的雙向性。

基于 SiC 的解決方案帶來的好處很簡單：更低的損耗（這意味著更小的尺寸）、更高的頻率（更小的無源元件）和更高的效率（更簡單和更小的冷卻）。

英飛凌提供一對可與 50-/60-kW 電動汽車充電解決方案結(jié)合使用的電源模塊。Easy 1B (F4-23MR12W1M1_B11) 為充電站的 DC/DC 級集成了四組件拓撲。Easy 2B (F3L15MR12W2M1_B69) 具有適合維也納整流器的三級配置，這在本應(yīng)用中的 PFC 級很常見。

這些模塊使用英飛凌 CoolSiC 二極管，這是一種堅固高效的器件，旨在滿足 HEV 和 EV 的使用要求。作為英飛凌最新一代肖特基二極管的改進，CoolSiC 二極管具有更好的品質(zhì)比，可最大限度地減少功率損耗。出色的 SiC 二極管開關(guān)性能非常適合 PFC 級中的續(xù)流路徑。

SiC 在汽車中的優(yōu)勢（來源：英飛凌）

OBC 是汽車的集成系統(tǒng)，用于在車輛停放時從交流電源為高壓電池充電。快速充電的趨勢也會影響 OBC 拓撲所需的功率范圍，因此新設(shè)計往往會達到 11 kW 甚至高達 22 kW。這種發(fā)展，加上對高效率和低系統(tǒng)成本功率密度的需求，是使用三相解決方案的強大動力。今天，從電源到電池通常是單向功率流，但也有雙向使用，例如要充電的電池或電池到電源。

“OBC 是 Si 和 SiC 在未來如何共存的另一個很好的例子，”Muenzer 說。“對于 400 V OBC 系統(tǒng)的 DC/DC 級，英飛凌 CoolMOS 等硅基超級結(jié) MOSFET 可以支持所需的開關(guān)頻率。在相鄰的單向 PFC 級中，SiC 二極管和快速開關(guān) IGBT 的組合以具有競爭力的成本提供了足夠的性能。我們最近甚至將快速開關(guān) IGBT 和 SiC 二極管組合在同一個封裝 (EcoPack) 中。如果 OEM 提高效率目標或電壓水平上升，SiC MOSFET 將成為 OBC 的首選器件。”

收購 Siltectra 后，英飛凌一直致力于將這家初創(chuàng)公司的 SiC 冷裂技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)化工藝中。Cold Split 可以有效地處理晶體材料，并且材料損失最小。

關(guān)于器件概念，Muenzer 說：“大多數(shù)功率半導(dǎo)體技術(shù)，無論是硅 MOSFET 還是 IGBT，都是從平面單元設(shè)計開始，但最終過渡到溝槽單元設(shè)計。這是因為溝槽設(shè)計允許您提高設(shè)備的性能和/或穩(wěn)健性。另一方面，它們需要復(fù)雜的工藝知識，但憑借超過 25 年的溝槽技術(shù)經(jīng)驗，我們決定從一開始就采用碳化硅技術(shù)。”

在平面技術(shù)中，電流需要改變方向并需要空間以避免擁擠。它的關(guān)鍵是橫向的溝道長度。否則，在溝槽技術(shù)中，電流是直接垂直流動的，關(guān)鍵因素是其垂直方向的溝道長度。溝槽技術(shù)提供了低密度的缺陷，導(dǎo)致低通道電阻，并且在低于 3 MV/cm 的氧化場中具有低導(dǎo)通電阻。

平面與溝槽 SiC 封裝（來源：英飛凌）

與傳統(tǒng)的硅基器件相比，碳化硅在汽車應(yīng)用中具有重要優(yōu)勢：更高的功率密度、更高的系統(tǒng)效率、范圍擴展、更低的系統(tǒng)成本和長期可靠性。碳化硅已經(jīng)在汽車內(nèi)部，但我們才剛剛開始。

電動汽車的自主性直接反映了其動力總成和能源管理系統(tǒng)的效率。此外，必要的基礎(chǔ)設(shè)施，例如現(xiàn)在達到數(shù)百千瓦功率的強大快速充電系統(tǒng)，同樣被要求遵守嚴格定義的尺寸和效率限制。由于其特定的物理特性，碳化硅是對這些新市場需求的寶貴回應(yīng)。