碳化硅MOSFET可以取代硅IGBT吗？

2023 年以碳化硅 (SiC) 半导体在电动汽车 (EV) 牵引逆变器中的两项重大设计胜利开始，牵引逆变器位于 EV 中的高压电池和电动机之间，可将来自电池的直流电转换为 EV 电动机使用的交流电。   首先，2023 年 1 月 4 日，onsemi 宣布其 SiC 模块将为起亚 EV6 GT 车型的牵引逆变器供电，实现从 800 V 直流电池到后桥交流驱动的高效功率转换。值得一提的是，2022年12月，意法半导体宣布其SiC模组已纳入现代电动全球模组平台（E-GMP），起亚EV6等多款车型共享。   后来，2023年1月10日，2010年开始量产SiC MOSFET 的Rohm Semiconductor 宣布其 SiC MOSFET 和栅极驱动器 IC 将为日本汽车零部件供应商 Hitachi Astemo 开发的 EV 逆变器提供动力。栅极驱动器 IC 是 EV 逆变器中的重要组件，它在逆变器控制微控制器 (MCU) 和向逆变器供电的 SiC MOSFET 之间提供接口。栅极驱动器 IC 在低压域中接收来自 MCU 的控制信号，并传输这些信号以快速打开和关闭高压域中的功率器件。   SiC 半导体在DC/DC 转换器、牵引逆变器和车载充电器 (OBC) 等电动汽车系统中得到广泛采用 。本文将解释 SiC 半导体和模块如何重振牵引逆变器，这是车辆电气化的基本组成部分。根据 Research and Markets 的数据，到 2028 年，全球牵引逆变器行业预计将达到 390 亿美元。

800 伏系统逆变器中的碳化硅

虽然将典型 400 V 电池的电压加倍可为 EV 带来巨大好处，但对于依赖硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 的 EV 逆变器来说，在更高电压下的性能会受到影响。因此，汽车设计企业正在用 SiC 取代传统的 Si 功率器件。SiC 是一种宽带隙半导体，可以实现更快的开关速度并且可以在更高的温度下工作。与对应的 Si 器件相比，SiC 器件更小并且可以承受更高的工作电压。   以汽车解决方案供应商 Delphi Technologies 为例，该公司在转向 800 V 电池系统时，在 EV 逆变器中采用了Wolfspeed的 SiC MOSFET。这使得Delphi能够开发出比竞争对手的逆变器轻 40%、紧凑 30% 的逆变器。   SiC 功率开关是Delphi逆变器设计的核心，有助于实现更高水平的双面冷却集成。这显著降低了 SiC 组件与冷却系统设计之间的热阻。这是电动汽车等高功率应用的一个重要方面，在这些应用中，功率模块的散热至关重要。   与硅基逆变器相比，冷却系统与 SiC MOSFET 的高效接口导致功率系统更轻、更小、成本更低。因此，在 EV 逆变器中，基于 Si IGBT 的功率开关正越来越多地被 SiC MOSFET 取代，SiC MOSFET 可将开关损耗降低多达 70%，从而提高电气化推进系统的性能并降低成本。   除了更高的开关效率和更高的结温能力外，SiC MOSFET 还提供改进的短路耐受时间和更低的导通电阻。与 Si IGBT 相比，这进一步降低了功耗。Rohm声称，根据国际标准WLTC燃油效率测试计算，其第四代SiC MOSFET与主逆变器中的IGBT相比，功耗降低了6%。    

从 Si IGBT 到 SiC MOSFET

在牵引逆变器（电动汽车设计中的一个重要组成部分）中，像 IGBT 这样的开关设备最初管理电源，因为逆变器将直流电转换为电动汽车电机的交流电。多年来，工程师们意识到逆变器在 EV 性能和续航里程方面发挥着关键作用。在这里，节能组件可以以更高的效率从电池中提取更多能量，从而延长续航里程并减小车载电池的尺寸。   接下来，虽然电动汽车的续航里程以及电池尺寸和重量一直是一个关键问题，但当电动汽车从 400V 电池系统转向 800V 电池系统时，汽车工程师开始寻找能够有效处理更高工作电压和温度的组件。就在那时，SiC MOSFET 成为牵引逆变器等电动汽车构建模块的首选技术。   据Delphi科技首席执行官 Richard F. Dauch 称，与 400 V 系统相比，基于 SiC 的逆变器可使高达 800 V 的电气系统显著延长 EV 续航里程并将充电时间减半。“将电压从 400 V 提高一倍可以为汽车用户和制造商带来广泛的好处，”他说。   onsemi 执行副总裁兼电源解决方案事业部总经理 Simon Keeton 详细阐述了基于 SiC 的动力牵引解决方案的优势。“高密度 SiC 器件最大限度地减少了寄生效应和热阻，”他说。“这会减少与直流到交流转换相关的功率损耗，同时减小牵引逆变器的尺寸和重量。”   根据行业研究公司 IHS Markit 的数据，到 2025 年，全球高达 45% 的汽车生产将实现电气化，每年将售出约 4600 万辆电动汽车。据估计，到 2030 年，这些数字将上升到 57%，每年的电动汽车销量约为 6200 万辆。   雄心勃勃的汽车电气化之路首先需要高压功率器件。在这里，SiC 半导体因其更快的开关速度和支持更高的电压和温度而被公认为一种技术选择。   随着全球对汽车电气化的推动，这使得 SiC 成为 2023 年及以后值得关注的技术。

编辑：黄飞