碳化硅(SiC)應(yīng)用改變汽車行業(yè)

全球向電動(dòng)汽車的過渡導(dǎo)致了汽車行業(yè)的轉(zhuǎn)型，這是由于汽車原始設(shè)備制造商（OEM）對(duì)創(chuàng)造越來越高效和高性能的電動(dòng)汽車的需求。寬帶隙半導(dǎo)體等電子技術(shù)在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車越來越追捧既有效又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的功率轉(zhuǎn)換技術(shù)。由于碳化硅（SiC）提供的優(yōu)勢(shì)，寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體在性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)硅，并將很快取代并超越傳統(tǒng)的硅基功率器件，尤其是用于電動(dòng)汽車（EV）設(shè)計(jì)的功率器件。

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電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電動(dòng)汽車的成功與高效率的實(shí)現(xiàn)密切相關(guān)。在電動(dòng)汽車中，效率在滿載條件下（通常，當(dāng)負(fù)載>90%時(shí)）達(dá)到其最大潛力。在城市駕駛中，負(fù)載可以降低到10%，再生制動(dòng)等系統(tǒng)在將車輛效率提高多達(dá)30%方面起著至關(guān)重要的作用。

為此，應(yīng)將安裝在EV中的所有電子元件和系統(tǒng)的功耗降至最低，同時(shí)尊重汽車行業(yè)施加的空間和重量限制。

汽車零部件必須滿足的其他具有挑戰(zhàn)性的要求包括高可靠性（百萬分之缺陷部件數(shù)量已達(dá)到個(gè)位數(shù)）和出色的熱管理。碳化硅是一種能夠滿足這些要求的半導(dǎo)體材料，取代并優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基功率器件，如MOSFET和IGBT。

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碳化硅在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

SiC 的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度為 2.8 MV/cm，遠(yuǎn)高于硅的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度 （0.3 MV/cm），允許設(shè)計(jì)人員在半導(dǎo)體襯底上應(yīng)用更薄的外延層，從而降低組件的表面電阻和功率損耗。此外，該特性允許SiC達(dá)到非常高的擊穿電壓，甚至只有幾kV量級(jí)。

因此，這些器件可以在遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅達(dá)到的頻率下進(jìn)行有效切換。由于開關(guān)頻率較高，無源元件和磁性器件（如電感器）的尺寸也降低了。因此，系統(tǒng)的整體尺寸顯著減小，從而提高了功率密度。SiC 的寬帶隙和強(qiáng)大的導(dǎo)熱性進(jìn)一步降低了系統(tǒng)重量和體積，可實(shí)現(xiàn)高溫操作和簡(jiǎn)單的冷卻控制。

新的高性能和長(zhǎng)距離電動(dòng)汽車將基于SiC，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的硅基功率器件（如IGBT）無法進(jìn)一步降低其功耗，重量和尺寸，這些都是提高效率的先決條件。此外，高壓電池即將從 400 V 過渡到 800 V，對(duì)所使用的功率器件提出了更嚴(yán)格的電壓要求。

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主要用途：主逆變器

SiC在電動(dòng)汽車中的主要應(yīng)用之一是主逆變器，它是將來自電池的高直流電壓轉(zhuǎn)換為為牽引電動(dòng)機(jī)供電所需的交流電壓的電路。 與具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基于IGBT的逆變器相比，SiC的效率提高了6-10%。對(duì)于主逆變器，SiC的低傳導(dǎo)損耗是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，特別是在部分負(fù)載條件下。這種效率的提高轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的續(xù)航里程或更小的電池尺寸，從而節(jié)省了空間和成本。 “基于我們?cè)谔蓟璺矫娴某晒Π咐?，我不得不說，SiC MOSFET在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是構(gòu)建牽引逆變器的主要選擇，因?yàn)?200 V器件的可用性很大，它們經(jīng)過驗(yàn)證和完善的堅(jiān)固性，以及更簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，”Di Giovanni說。

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DC-DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器

在電池供電的電動(dòng)汽車（BEV）和插電式電動(dòng)汽車（PHEV）中，電動(dòng)機(jī)由牽引逆變器供電，該逆變器從大型高壓電池組接收能量。逆變器可以直接連接到高壓電池，也可以通過DC-DC轉(zhuǎn)換器連接，具體取決于電池的標(biāo)稱電壓，分別為400 V或800 V，如圖1所示。

在車內(nèi)，也有在 12 VDC 或 48 VDC 下運(yùn)行的不同系統(tǒng)。這些電壓通過DC-DC轉(zhuǎn)換器由高壓電池組提供。 充電需要直流電源。然而，交流電源在家庭和商業(yè)空間更容易獲得，因此需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的車載充電器?？焖僦绷鞒潆姵?，僅在某些充電站可用。 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和 OBC 都需要具有高效率、高開關(guān)頻率和出色熱管理的功率器件。為了滿足這些具有挑戰(zhàn)性的要求，SiC已成為首選，提供高效率，低開關(guān)損耗，高開關(guān)頻率，低散熱和更小磁性元件的組合。

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碳化硅制造

一旦成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，SiC器件將進(jìn)一步增加制造。這最終將在大規(guī)模制造后降低價(jià)格，類似于硅基設(shè)備。成本的降低是一個(gè)重要的里程碑，因?yàn)镾iC器件比硅基器件更昂貴，SiC材料的成本幾乎是硅的2×至3×。

“在創(chuàng)建了垂直整合的完整供應(yīng)鏈之后，我們現(xiàn)在正在意大利卡塔尼亞的主要生產(chǎn)基地附近建立一個(gè)新的集成晶圓廠，”Di Giovanni說?！斑@將是歐洲首個(gè)此類產(chǎn)品，我們的目標(biāo)是到2024年使用該新工廠生產(chǎn)的內(nèi)部基板采購(gòu)至少40%的SiC晶圓需求。

新的SiC制造工藝，晶圓從200到300毫米，將有可能實(shí)現(xiàn)更好的產(chǎn)量并降低生產(chǎn)成本，使其與傳統(tǒng)硅相當(dāng)。

“我們已經(jīng)證明了我們?cè)谌鸬渲圃?00毫米SiC晶圓原型的能力，”Di Giovanni說?！巴瑯又匾氖且獜?qiáng)調(diào)，我們的設(shè)備和機(jī)械已經(jīng)可以處理200毫米，因此我們預(yù)計(jì)過渡將相當(dāng)順利。

審核編輯 ：李倩