碳化硅在电动汽车的应用方案

碳化硅 (SiC) 是一项创新技术，将在许多应用中取代硅 (Si)。将 SiC 用于电动汽车 (EV) 的想法诞生于努力提高此类车辆的效率和续航里程，同时降低整车的重量和成本，从而提高控制电子设备的功率密度。

使用符合设计参数的 SiC 解决方案可以有效地增强电动汽车的电力电子设备，并对系统性能和长期可靠性做出重要贡献。

SiC 器件越来越多地用于对尺寸、重量和效率有很高要求的高压功率转换器中，因为与常用的硅相比，它们具有许多吸引人的特性。通态电阻和开关损耗要低得多，而且 SiC 的导热率比硅高约 3 倍，从而可以更快地从组件中散热。这一点很重要，因为当 Si 基器件的面积越小，就越难以提取由电转换过程产生的热量，而 SiC 可以更好地散热。

许多原始设备制造商已宣布对电动汽车进行价值数十亿美元的投资，这也得益于对 CO 2排放的限制。未来几年将采取关键步骤，我们将看到更高比例的电动汽车上路。

这将需要改善可负担性、法规和技术进步等因素。据估计，电动汽车通过电动机转换电池能量的效率为 60%。与传统的内燃机相比，这绝对是一个了不起的成就。

然而，提高效率在工程师的优先事项列表中居高不下，仅仅是因为它直接转化为更长的续航里程和/或更小的电池，从而降低了成本——这是大多数电动汽车无法与传统汽车竞争的两个因素。

这些汽车的显着特点之一是它们包含的高压系统的数量。高压电池的电压从 400 到 800 V 不等，许多其他电气系统以不同的方式为该电池供电。这些系统包括车载充电器 (OBC)、用作 12V 辅助设备的桥梁的DC/DC转换器、牵引逆变器和电池管理系统 (BMS) 本身。

电动汽车

电动汽车是全电动汽车，需要至少三种电子单元进行能量转换：DC/DC 转换器，通常从高压到 12 V 为低压电子设备供电；DC/AC牵引逆变器驱动电动机，通常是三相电动机，为车轮供电；和 AC/DC 转换器，用于在制动能量回收期间以及从标准住宅或大功率充电站（用于快速充电）为车辆电池充电。

为了从电池容量中获得最大的自主权，整个转换链必须达到可能的最大效率。实现具有所需效率的功率器件（二极管和MOSFET）的技术已被确定，称为 SiC，已在一段时间内用于实现肖特基二极管，而最近，MOSFET 是开关元件转换器和逆变器的核心，正在进入量产阶段。

牵引逆变器为电机供电，是最关键的，因为它决定了车辆在需要充电之前可以运行多长时间。此外，OBC 为电池充电：我们可以放入电池的电量越多，充电速度就越快。

“在基于 800 V 的 EV 中，与我们一流的硅IGBT相比，使用我们的第一代碳化硅技术可将续航里程增加 7%，”创新与新兴技术汽车大功率副总裁 Mark Muenzer 说，在英飞凌。“借助我们的下一代 CoolSiC，我们将把这一比例提高到 10% 左右。” 尽管如此，Muenzer 预测未来 SiC 和硅将在 EV 领域共存，因为 SiC 的成本显着提高，主要是由于原材料昂贵。

“当汽车在部分负载下运行时，碳化硅的优势尤其明显，”Muenzer 说。“例如，让我们考虑一辆汽车，每个车轴都有一个电动机。一种用于普通巡航操作；另一个仅在加速过程中需要峰值功率时添加。如果这是一辆峰值功率为 200 kW 的汽车，则第一个逆变器的平均利用率约为 20 kW，因此在部分负载下非常明显。在这里，碳化硅可能是有意义的，因为效率增益允许使用更小的电池，因此，我可以通过降低电池成本来补偿逆变器中较高的碳化硅成本。第二个逆变器仅在一小部分时间内处于活动状态，并且主要在碳化硅不那么有利的负载下。这里，

板载充电器框图（来源：英飞凌）

电池和 OBC

电池是电动汽车的基本关键特征，确保有效的充电管理是电动汽车正确运行的基本要素。

电池必须具有非常高的能量存储密度、接近于零的自损电流以及在几分钟而不是几小时内充电的能力。电池管理系统通常包括五个主要电路组：OBC、BMS、DC/DC 转换器和主逆变器。

电池充电器电源模块由一个 AC/DC 前端和一个 DC/DC 转换器组成，用于为电池提供充电电压。AC/DC 部分将电源从市电转换为有用的直流电压，避免纹波波动。出于安全原因，DC/DC 转换器提供与车辆底盘的电气绝缘，同时为车辆提供必要的直流充电电压。

每个模块的输入是交流三相电压，然后是一个滤波器和一个 DC/DC LLC 级。功率水平在 80 kW 到 150 kW 的范围内，多个 15 到 20 kW 的模块能够为插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 和电池电动汽车 (BEV) 电池充电。这种应用需要高效率和高功率密度的设备，这反过来又允许更小的站点。

典型的双向 OBC 的框图包括一个图腾柱功率因数校正 (PFC) 级（两个相同的设备并联工作），然后是一个 DC/DC 转换器（LLC 谐振回路）。在隔离式栅极驱动器的控制下，可以使用同步场效应晶体管(FET) 将输出电压过滤为最终的直流电压。

通过用 SiC 器件取代充电器的 AC/DC 模块中使用 IGBT 或 MOSFET 的基于硅的设计，电路设计得到简化，同时功率密度和效率显着提高，从而减少了部件数量和系统的尺寸、重量和成本。SiC 块还可以实现允许车辆电池成为智能电网一部分所需的双向性。

基于 SiC 的解决方案带来的好处很简单：更低的损耗（这意味着更小的尺寸）、更高的频率（更小的无源元件）和更高的效率（更简单和更小的冷却）。

英飞凌提供一对可与 50-/60-kW 电动汽车充电解决方案结合使用的电源模块。Easy 1B (F4-23MR12W1M1_B11) 为充电站的 DC/DC 级集成了四组件拓扑。Easy 2B (F3L15MR12W2M1_B69) 具有适合维也纳整流器的三级配置，这在本应用中的 PFC 级很常见。

这些模块使用英飞凌 CoolSiC 二极管，这是一种坚固高效的器件，旨在满足 HEV 和 EV 的使用要求。作为英飞凌最新一代肖特基二极管的改进，CoolSiC 二极管具有更好的品质比，可最大限度地减少功率损耗。出色的 SiC 二极管开关性能非常适合 PFC 级中的续流路径。

SiC 在汽车中的优势（来源：英飞凌）

OBC 是汽车的集成系统，用于在车辆停放时从交流电源为高压电池充电。快速充电的趋势也会影响 OBC 拓扑所需的功率范围，因此新设计往往会达到 11 kW 甚至高达 22 kW。这种发展，加上对高效率和低系统成本功率密度的需求，是使用三相解决方案的强大动力。今天，从电源到电池通常是单向功率流，但也有双向使用，例如要充电的电池或电池到电源。

“OBC 是 Si 和 SiC 在未来如何共存的另一个很好的例子，”Muenzer 说。“对于 400 V OBC 系统的 DC/DC 级，英飞凌 CoolMOS 等硅基超级结 MOSFET 可以支持所需的开关频率。在相邻的单向 PFC 级中，SiC 二极管和快速开关 IGBT 的组合以具有竞争力的成本提供了足够的性能。我们最近甚至将快速开关 IGBT 和 SiC 二极管组合在同一个封装 (EcoPack) 中。如果 OEM 提高效率目标或电压水平上升，SiC MOSFET 将成为 OBC 的首选器件。”

收购 Siltectra 后，英飞凌一直致力于将这家初创公司的 SiC 冷裂技术应用到工业化工艺中。Cold Split 可以有效地处理晶体材料，并且材料损失最小。

关于器件概念，Muenzer 说：“大多数功率半导体技术，无论是硅 MOSFET 还是 IGBT，都是从平面单元设计开始，但最终过渡到沟槽单元设计。这是因为沟槽设计允许您提高设备的性能和/或稳健性。另一方面，它们需要复杂的工艺知识，但凭借超过 25 年的沟槽技术经验，我们决定从一开始就采用碳化硅技术。”

在平面技术中，电流需要改变方向并需要空间以避免拥挤。它的关键是横向的沟道长度。否则，在沟槽技术中，电流是直接垂直流动的，关键因素是其垂直方向的沟道长度。沟槽技术提供了低密度的缺陷，导致低通道电阻，并且在低于 3 MV/cm 的氧化场中具有低导通电阻。

平面与沟槽 SiC 封装（来源：英飞凌）

与传统的硅基器件相比，碳化硅在汽车应用中具有重要优势：更高的功率密度、更高的系统效率、范围扩展、更低的系统成本和长期可靠性。碳化硅已经在汽车内部，但我们才刚刚开始。

电动汽车的自主性直接反映了其动力总成和能源管理系统的效率。此外，必要的基础设施，例如现在达到数百千瓦功率的强大快速充电系统，同样被要求遵守严格定义的尺寸和效率限制。由于其特定的物理特性，碳化硅是对这些新市场需求的宝贵回应。

　　审核编辑：汤梓红