電動汽車中碳化硅器件正在取代硅基功率器件

11月9日，在華為智慧出行解決方案發(fā)布會上，華為與奇瑞兩大巨頭合作的首款車型智界S7首次亮相，作為繼問界之后的第二個華為智選車品牌，及華為與奇瑞合作的首款電動汽車，智界S7有不少亮點，其中亮點之一便是余承東口中的“雙800”——續(xù)航超過800公里、攜帶800V高壓碳化硅動力平臺。SiC器件在電動汽車領域中逐漸從理論中的實用，到了愈發(fā)真實的出貨量的增長。800V高壓的改變，不是簡單的在原來電池上加上一倍的電壓。

800V 系統(tǒng)逆變器中的碳化硅

雖然將典型400V電池的電壓加倍給電動汽車可以帶來了巨大的好處，但對于依賴硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 的電動汽車逆變器來說，電壓較高時其性能會受到影響。因此，汽車設計人員用SiC取代傳統(tǒng)的Si功率器件，SiC是一種寬帶隙半導體，可以實現(xiàn)更快的開關速度并可以在更高的溫度下工作。與Si器件相比，SiC器件更小，并且可以處理更高的工作電壓。

SiC 功率開關逆變器設計的核心，有助于實現(xiàn)與雙面冷卻的更高水平的集成。這顯著降低了 SiC 組件和冷卻系統(tǒng)設計之間的熱阻。這是電動汽車等高功率應用的一個重要方面，其中電源模塊的耐熱、散熱至關重要，而這一次的智界S7隔熱用航空級隔熱氣凝膠、散熱用的也是黑科技的超薄液冷降溫系統(tǒng)，可以看出電動汽車的電源在用上800V高壓后更是需要多層安全防護保障。

與硅基逆變器相比，冷卻系統(tǒng)與SiC MOSFET的高效接口可以以更低的成本實現(xiàn)更輕、更小的電源系統(tǒng)。因此，在電動汽車逆變器中，基于Si IGBT的功率開關越來越多地被 SiC MOSFET 取代，后者可將開關損耗降低高達70%，從而提高電氣化推進系統(tǒng)的性能并降低成本。

除了更高的開關效率和更高的結溫能力外，SiC MOSFET 還具有更長的短路耐受時間和更低的導通電阻。與 Si IGBT 相比，這進一步降低了功耗。

從 Si IGBT 到 SiC MOSFET

牽引逆變器是電動汽車設計的重要組成部分，在逆變器將直流電轉換為電動汽車電機的交流電時，IGBT 等開關設備最初負責管理電力。多年來，工程師們意識到逆變器在電動汽車性能和續(xù)駛里程方面發(fā)揮著至關重要的作用。在這里，如果能用更高能效組件就能以更高的效率從電池中提取更多能量，從而延長續(xù)航里程并減小車載電池的尺寸。

其次，雖然電動汽車的行駛里程以及電池尺寸和重量一直是一個關鍵問題，但當電動汽車從 400V電池系統(tǒng)轉向800V電池系統(tǒng)時，汽車工程師開始尋找能夠有效處理更高工作電壓和溫度的組件。這時，SiC MOSFET就會成為牽引逆變器等電動汽車構建模塊的首選技術。

將400 V的電壓提高一倍，對于車輛用戶和制造商來說都帶來了一系列的好處，高密度碳化硅器件最大限度地減少了寄生效應和熱阻，這可以減少與直流到交流轉換相關的功率損耗，同時減小牽引逆變器的尺寸和重量。

這條雄心勃勃的汽車電氣化之路首先需要高壓功率器件。SiC 半導體因其更快的開關速度以及支持更高的電壓和溫度而被認為是一種首選技術，大多電動汽車廠商都已經(jīng)有自己關于SiC的研發(fā)團隊了。隨著全球對汽車電氣化的推動，這都使得SiC成為2023年及以后值得關注的技術。