浅谈电动汽车中的碳化硅应用

　　随着技术的发展，电动汽车对电力电子功率驱动等系统提出了更高的要求，即更轻、更紧凑、更高效、更可靠等，但是传统的硅基功率器件由于材料的限制，其各方面的特性已经逐渐无法满足电动汽车的技术要求，所以需要采用其他材料来代替。

　　而以碳化硅为代表的第三代半导体，与单晶硅和砷化镓等传统半导体材料相比，具有明显的优势：

　　（1）碳化硅具有高热导率（达到4.9W/cm？ K），是硅的3.3倍。 因此，碳化硅材料散热效果好，理论上，碳化硅功率器件可在175℃结温下工作，因此散热器的体积可以显著减小，适合用来制作高温器件。

　　（2）碳化硅具有高的击穿场强，其击穿电场是硅的10倍，因而适用于高压开关，最大功率处理能力强，使得碳化硅材料适于制作大功率、大电流器件。

　　（3）碳化硅具有高的饱和电子漂移速率，其数值是硅的2倍，在高场下几乎不发生衰减，其高场处理能力强，因此，碳化硅材料适用于高频器件。

　　碳化硅单晶在制备技术上也是第三代半导体材料中最成熟的。 因此碳化硅是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。

　　在电动汽车的功率交换器中，采用宽禁带器件可以提高功率变换器高温工作下的可靠性，减小散热系统的体积。 传统硅基变换器的损耗较大，对冷却系统的要求较高。 电动汽车的引擎部分需要冷却系统保持其温度在
105℃，而功率变换器部分则要求冷却系统使其温度在
70℃左右，为了使两部分正常工作，必须采用两套冷却系统以满足不同的要求。 这大大增加了电动汽车冷却系统的体积。 碳化硅功率器件工作结温已经达到了361℃，因此，采用宽禁带器件构成的功率变换器可在更高的环境温度下正常工作，可将引擎冷却系统与功率变换器的系统合二为一，大大减小功率变换器的体积。

　　车载充电机（OBC）为电动汽车的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电的关键功能，电网中的交流电能够被车载充电器转换为直流电，从而顺利为汽车电池进行充电，OBC是决定充电功率和效率的关键器件。

　　对于电动汽车车载充电机来说，碳化硅MOSFET相比硅基器件同样具有系统优势：

　　（1）更低的系统成本：虽然碳化硅器件相较于硅基器件价格较贵，但是使用碳化硅器件的OBC可以节省磁感器件和驱动器件成本，从而降低系统成本。

　　（2）更高的峰值效率：OBC中使用碳化硅器件后充电 峰值效率较使用硅基器件的系统提升2个点。

　　（3）更大的功率密度：使用碳化硅器件的系统功率密度较硅基器件提升约50%，从而减少OBC的重量和体积。

　　在电动汽车的电机驱动系统中，碳化硅MOS用作电阻性器件能够提高汽车的工作效率和续航里程，并降低损耗。

　　用于电机驱动系统中的主逆变器时，碳化硅器件的优势主要在于控制效率提升、功率密度提升、开关频率提升、降低开关损耗、简化电路的热处理系统，从而降低成本、重量、大小、功率逆变器的复杂性。 由于碳化硅器件的小体积、低散热要求、高工作结温等特性，可帮助将电驱动控制器体积减小80%以上，是提升电机驱动系统功率密度的优质选择。

　　文章整合自 驱动视界 未来智库 材料深一度 gdsicsemi