碳化硅在新能源汽車中的應(yīng)用

碳化硅(SiC)材料因其優(yōu)越的物理特性，受到人們廣泛的關(guān)注和研究。當(dāng)特斯拉宣布Model 3.隨著碳化硅的出現(xiàn)，市場也開始關(guān)注碳化硅最初的利基領(lǐng)域。那碳化硅在電子汽車領(lǐng)域到底起到什么作用呢？為什么會(huì)受到這么大的關(guān)注？

首先我們來了解碳化硅究竟有什么特點(diǎn)。與目前應(yīng)該廣泛的Si材料相比，SiC材料較高的熱導(dǎo)率決定了其高電流密度的特性，然而較高的禁帶寬度又決定了SiC器件的高擊穿場強(qiáng)和高工作溫度。其優(yōu)點(diǎn)主要可以概括為以下幾點(diǎn)：

1) 高溫工作

SiC在物理特性上擁有高度穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，其能帶寬度可達(dá)2.2eV至3.3eV，幾乎是Si材料的兩倍以上。因此，SiC所能承受的溫度更高，一般來說，SiC器件所能達(dá)到的最大工作溫度可到600 oC。

2) 高阻斷電壓

與Si材料相比，SiC的擊穿場強(qiáng)是Si的十倍多，因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。

3) 低損耗

一般而言，半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗與其擊穿場強(qiáng)成反比，故在相似的功率等級下，SiC器件的導(dǎo)通損耗比Si器件小很多。且SiC器件導(dǎo)通損耗對溫度的依存度很小，SiC器件的導(dǎo)通損耗 隨溫度的變化很小，這與傳統(tǒng)的Si器件也有很大差別。

4) 開關(guān)速度快

SiC的熱導(dǎo)系數(shù)幾乎是Si材料的2.5倍，飽和電子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的頻率下工作。

綜合以上優(yōu)點(diǎn)，在相同的功率等級下，設(shè)備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積都能大大減小，同時(shí)效率也有大幅度的提升。

回到這里，碳化硅的這些優(yōu)勢在電子汽車領(lǐng)域中起到怎樣的關(guān)鍵作用呢？

碳化硅的出現(xiàn)可以在一定程度上緩解電動(dòng)汽車重量和耐久性之間的平衡，在動(dòng)力控制單元中，碳化硅裝置可以使電池更輕、更長、更強(qiáng)。碳化硅裝置可以縮短充電時(shí)間。

隨著新能源汽車滲透率的提高，碳化硅在電子汽車中的運(yùn)用與地位越來越高。汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速推進(jìn)，今后較長一段時(shí)期內(nèi)，汽車的需求量仍將保持增長勢頭，而隨著新能源汽車滲透率的提高，碳化硅在電子汽車中的運(yùn)用與地位越來越高。

與中高端手機(jī)對更高性能處理器的追求類似，碳化硅不僅可以提高新能源汽車的能量轉(zhuǎn)換效率，而且還可以提高汽車的整體成本，但更高的價(jià)格將覆蓋這部分成本。因此，為了獲得更多的行業(yè)利潤，各廠商的中高端車也將陸續(xù)配備碳化硅設(shè)備。

由于碳化硅（SiC ）材料等特點(diǎn)，Sic MOSFET作為屬于第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體，相比于以Si材料為主的第二代功率半導(dǎo)體，SiC MOSFET有著明顯的優(yōu)勢.它在導(dǎo)通電阻、開關(guān)等方面損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率，另由于其高溫工作特性，大大提高了高溫穩(wěn)定性。如圖所示（Sic和Si的對比）

不過，Sic-MOSFET也有美中不足之處。它在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高的效率，但其快速的開關(guān)速度對驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，尤其是整個(gè)系統(tǒng)的雜散電感，在快速的開關(guān)速度下會(huì)造成較大的EMC沖擊。

同樣的，Sic-MOSFET在電氣性能方面依然存在著很大的挑戰(zhàn)。由于其更快速的響應(yīng)能力，很容易發(fā)生電流和電壓的震蕩。

下圖為SiCMOSFET模塊開關(guān)電流和電壓振蕩曲線，其中(a)為開通電流振蕩，(b)為關(guān)斷電壓振蕩，(c)為二極管振蕩電壓，其尖峰控制到了856V。從這3幅圖可以明顯地看出SiCMOSFET開關(guān)時(shí)刻的電氣振蕩要比IGBT嚴(yán)重得多，這些特性對于汽車級應(yīng)用和EMC方面都存在很大的挑戰(zhàn)。