SiC还是IGBT，新能源汽车如何选？

2022-11-25 1420次

碳化硅促进了电动汽车的进一步发展，使其成本更低，续航里程更长，设计更宽敞，功率密度更高。与标准内燃机相比，电动汽车不需要油箱和发动机，因此可以开发更多的差异化设计，更有效地利用内部空间，让乘坐感觉更舒适。但由于车型有限、充电时间长、快速充电基础设施不足、价格昂贵等因素，纯电动汽车在全球新车销售中的市场份额仍然很低。

目前的市场上，SiC和IGBT仍然是各有特点，本文分析它的技术差异，以及在主逆变器，OBC以及DC-DC转换器中使用SiC所带来的优势。

材料和零部件成本高是纯电动汽车价格高昂的主要原因。如将电动动力总成定义为由电池、电机和逆变器组成，那么动力总成约占纯电动汽车总成本的50%。在动力总成方面，电池成本占比超过60%。也就是说，电池成本占整车成本的35%以上。

增加电力总成的功率密度是降低成本的一种方法。美国能源部制定了将高压电力电子设备的功率密度提高7倍的目标，直到2025年。然而，由于安装空间有限，特别是对于高性能汽车，高功率密度更为必要。因为增加功率密度可以降低动力总成部件的尺寸，进一步优化车辆的室内空间。

目前，选择硅IGBT该技术的功率模块在电动汽车的应用中占主导地位。然而，经过几十年的发展，硅基功率装置正接近材料极限。因此，很难进一步提高其功率密度。

因此，半导体行业一直在开发宽禁带功率器件，例如碳化硅 MOSFET。美国能源部制定的功率密度目标正是基于宽禁带功率器件的利用。

宽禁带功率器件比硅器件更昂贵，但因其功率组件的尺寸和重量减小，特别是在相同里程范围内可节省电池容量，因此能够降低整体动力总成成本。

SiC 和Si技术特点差异分析

碳化硅已成为功率器件中硅的替代材料。宽禁带、更高的击穿电场、提高的热导率以及更高的工作温度是碳化硅的4大关键优势：

●碳化硅的禁带比硅大 3 倍，可转化为高 10 倍的击穿电场。如需设计有高电压(通常为 1200V 或更高)的单极器件，例如 MOSFET，使用碳化硅则会受益良多。

●碳化硅的热导率是硅的 3 倍，与铜相似。因此，功率损耗产生的热量可以以较小的温度变化从碳化硅中传导出去。

●由于较高的熔化温度，理论上，碳化硅器件可以在 200°C 以上的温度下良好运行。因为冷却需求显着降低，因而可以显着降低冷却系统的成本。

由于较高的击穿电场，碳化硅器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度。因此，与相同击穿电压的硅器件相比，它们具有更低的电阻。

碳化硅可用于设计单极器件，例如高压 MOSFET，理论上不产生尾电流。因此，相比于硅 IGBT，碳化硅 MOSFET 有更低的开关损耗和更高性能的体二极管，从而实现更快的开关频率。

碳化硅器件可以在更高的温度下运行，可达到 200℃ 或更高。然而，封装技术限制了最高工作温度。为了使碳化硅运行在高温度，许多新封装技术正在开发中。

碳化硅器件的芯片面积更小，产生的栅极电荷和电容也更小，可以实现更高的开关速度，降低开关损耗。

碳化硅 MOSFET 可以在高开关频率下工作，使磁性元器件更小，且功率损耗更低。低功率损耗与高工作温度和高热导率相结合，降低了冷却需求，从而使得冷却系统更小。在功率转换器应用中，高开关频率还可以减少输出电容器。

由于高击穿电压，在高压应用中(例如，高于 600V)使用碳化硅 MOSFET可以采用简化的拓扑，而硅 IGBT 因为其击穿电压通常在 650V 至 750V 的范围内，所选取的拓扑则不尽相同。简化的拓扑结构需要更少的组件，即更少的电源开关和栅极驱动器，以及在控制算法方面更少的设计工作量。

单个碳化硅功率器件比硅等效器件成本更高，但使用碳化硅器件能够节省系统成本，因为需要更少的组件、更小的无源组件尺寸、更小的冷却系统、相同里程范围内的更小的电池容量以及更少的设计开发工作量。

SiC在主逆变器、OBC、DC-DC的应用

如上所述，碳化硅功率器件在功率密度、效率和冷却工作方面具有显着的系统优势，因为与硅 IGBT 相比，它们的损耗更低。在主逆变器、车载充电器 (OBC) 和 DC-DC 转换器这些应用中，碳化硅的优势尤为明显。

主逆变器不仅驱动电机，还用于再生制动并将能量回馈给电池。这意味着主逆变器确保了电池和电机之间的双向能量传输。车载充电器是交流到直流电源转换器，用于给电池充电。DC-DC 转换器将能量从一个电压等级传输到另一个电压等级。

下图显示了一种 DC-DC 转换器(高压到低压)，它将高压电池的能量转换为低压的能量，为低压电池充电并给 12V 电子系统供电。在其它电动车辆中，例如基于燃料电池的车辆，还有其他类型的 DC-DC 转换器。

碳化硅为主逆变器应用带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。车载充电器和 DC-DC 转换器都是电源应用，碳化硅为它们提供更高的开关频率FSW 、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。

戴姆勒与英飞凌合作开展了碳化硅在主逆变器系统中的优势研究。该项研究采用了英飞凌车规级功率模块 HybridPACK™ Drive的封装形式，一款是基于750V EDT2 IGBT 的技术，另外一款则采用了 1200V CoolSiC™ 碳化硅MOSFET 技术。

能耗的比较是集中在400V 和800V 的240千瓦电动 SUV上利用WLTP循环来进行的。

研究表明：在相同的行驶条件、行驶里程下，在配备了 1200V SIC MOSFET 的 400V 系统中，逆变器的能耗降低了 63%，从而在 WLTP 驱动循环中节能 6.9%。

在配备了 1200V SIC MOSFET 的 800 V系统中，逆变器能耗降低 69%，整车能耗降低 7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估，因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。

那么，在成本方面碳化硅的使用又带来哪些益处呢?碳化硅逆变器比硅等效物更昂贵。然而，根据前述能耗的降低，车辆系统效率提高，因此需要更少的电池容量。由于电池成本节省超过了碳化硅增加的成本，因此可节省高达 6% 的系统成本。

车载充电器通常具有两个单元：AC-DC 升压拓扑“功率因数校正”(PFC)单元，然后是隔离式 DC-DC 单元。PFC 可以通过多种拓扑结构实现，例如经典升压和图腾柱。与经典升压拓扑相比，图腾柱 PFC 表现出更高的功率密度和效率，因为它具有无桥 PFC，大大减少了二极管的数量。

英飞凌也研究了碳化硅在 PFC 单元的益处。研究的器件是基于硅的 650V TRENCHSTOPTM F5 IGBT 和基于碳化硅的 1200V CoolSiC™ MOSFET。

在400V 输出的 3.3 千瓦图腾柱 PFC上进行了功率损耗的比较。使用 1200V的碳化硅 MOSFET，功耗降低了 52%。然而，1200V 碳化硅器件的功耗仍被低估，因为应该与 650V 碳化硅器件进行公平的比较。与 1200V 等效器件相比，650V 碳化硅器件具有更低的电阻和更低的传导损耗。在任何情况下，碳化硅 MOSFET 都可以实现更高的效率。