碳化硅在新能源车中的主要应用

一、SIC被应用的原因

1.助力新能源汽车提升加速度

新能源汽车的加速性能与动力系统输出的最大功率和最大扭矩密切相关，碳化硅（SiC）技术允许驱动电机在低转速时承受更大输入功率，且不怕电流过大导致的热效应和功率损耗，这就意味着车辆起步时，驱动电机可以输出更大扭矩，强化加速能力。

2.助力新能源汽车降低系统成本

虽然SiC 器件成本略高于硅基器件，但采用SiC器件实现了电池成本的大幅下降和续航里程的提升，从而有效降低了整车成本。

3.助力新能源汽车实现轻量化

轻量化是整车厂的不懈追求，由于SiC 材料载流子迁移率高，能提供较高的电流密度，相同功率等级下封装尺寸更小，以IPM 为例，SiC 功率模块体积可缩小至硅功率模块的2/3 ～ 1/3[3]。SiC 能够实现高频开关，减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，从而减少系统体系和重量；SiC 禁带宽度宽且具有良好的热导率，可以使器件工作于较高的环境温度中，从而减少散热器体积；同时SiC 可以降低开关与导通损耗，使系统效率提升，同样续航范围内，可以减少电池容量，有助于车辆轻量化。以罗姆公司设计的SiC 逆变器为例，使用全SiC 模组后，主逆变器尺寸降低43%，重量降低6 kg。

二、主要应用部件

（1）功率交换器：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 Si 基变换器的损耗较大，对冷却系统的要求较高。
  在电动汽车中，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。SiC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。
 

（2）电池充电器：电池充电器是电动汽车中的重要部分，主要由AC/DC变换器和DC/DC变换器构成的PFC变换器组成。PFC变换器的工作频率决定了输出滤波电感和电容的纹波电压、纹波电流。采用宽禁带器件可以显著提高变换器的工作频率，从而减小滤波电感和电容的体积，降低电压、电流纹波，提高电感和电容工作的可靠性。无源元件体积的减小意味着整个变换器体积的减小，功率密度的提高。

（3）电机驱动器：电动汽车中主电机的驱动器拓扑有多种，其中最常用的是两电平三相电压源型逆变器。据研究，采用SiC器件可显著降低损耗。其中，SiC BJT 构成的逆变器损耗降低了53%；当频率升高时，损耗还会进一步降低，开关频率为 15 kHz 时，SiC BJT逆变器的损耗降低了67%。

（4）碳化硅也可以用于制造电动汽车的电池。电池是电动汽车的核心部件，而碳化硅具有优异的导热性能和高的热稳定性，可以有效地降低电池的温度，延长电池寿命。此外，碳化硅还可以用于制造电池端子，提高电池的输出功率和充电速度。

碳化硅在新能源车中的主要应用场景为主逆变器、车载充电器与 DC/DC 变换器，其中约80%的市场规模来自于汽车主逆变，17%来自于车载充电器 OBC。车载领域，SiC功率器件主要应用于电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC转换器）、非车载充电桩等核心电控领域，提供更高效的电能转换。

三、发展SIC的企业

来源于半导体综研，作者关牮 JamesG

审核编辑：汤梓红