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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] 前言 為提升電能利用效率，電動汽車行業對更高功率密度、更小尺寸的功率半導體器件的需求日趨強烈。目前，功率半導體主要包括絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。傳統的功率半導體器件大多采用硅基材料，硅基 IGBT 可承受更大的電壓、更高的功率，廣泛應用于新能源汽車的高壓系統中，如主驅動電機的逆變器。硅基MOSFET因其高頻特性好、開關速度快、成本較低，主要在汽車低壓電器中使用，如電動座椅調節、電池電路保護、刷水器的直流電機、發光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明系統等[1]。同時，硅基半導體固有的局限性（如開關損耗高、開關速度有限）導致硅基 IGBT 的開關頻率限制在 20 kHz左右[2]。 車用SiC-MOSFET的可靠性及散熱、微型化、先進封裝、多芯片集成和成本方面的研究https://mp.weixin.qq.com/s/NN171f1-p61Ac-3D5istCg [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]隨著半導體材料的快速發展，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代功率半導體材料具有更高的熱導率、較大的相對介電常數、更快的電子飽和漂移速度、更高的熔點和更高的莫氏硬度[3]，受到越來越多的關注。基于SiC材料制造的碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，SiC-MOSFET）相較于硅基功率半導體器件，具有更小的開關損耗、更高的開關速度、更小的尺寸、更高的擊穿電壓和更高的承受溫度，可用于提高轉換器和逆變器的效率、功率密度，節省車輛的空間。碳化硅半導體用于逆變器、DC/DC電源變換器和車載充電機（OnBoard Charger，OBC）時，較低的阻抗可以帶來更小的損耗和部件尺寸[4-5]。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]本文總結SiC-MOSFET在電動汽車不同應用場景中的特點，分析車用 SiC-MOSFET 技術面臨的挑戰，并結合車用 SiC-MOSFET 技術的最新進展分析其未來發展趨勢。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]2 SiC-MOSFET在電動汽車上的應用優勢SiC-MOSFET [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] 作為功率半導體在電動汽車領域的主要應用場景如圖 1 所示，包括用于驅動電機的牽引逆變器、DC/DC 電源變換器，以及用于交流充電的 OBC 及非車載充電設備，如直流快速充電站或無線充電[6]，并已在部分電動汽車上實現了應用[7-9]。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]2.1 SiC-MOSFET在牽引逆變器上的應用優勢 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]相較于硅基半導體，SiC-MOSFET 因碳化硅材料具有更高的飽和電子漂移速度和更大的帶隙，為更快的開關速度和更高的開關頻率提供了可能。同時，較高的開關速度能夠減小開關損耗，較小的接通電阻減少了 SiC-MOSFET 的傳導損耗，從而使SiC-MOSFET 獲得更高的效率和功率密度。目前，SiC-MOSFET 的峰值效率達到 98% 以上，功率密度達到 70 kW/L以上[10-11]。Allca-Pekarovic 等[12]分別采用硅基 IGBT 和 SiC-MOSFET 作為電動汽車牽引逆變器的功率半導體，發現與硅基 IGBT 逆變器相比，SiC-MOSFET 在一個驅動周期中可以減少 39.8% 的能量損失。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]此外，由于具備更高的承受溫度、更好的散熱能力、更高的機械強度，采用 SiC-MOSFET 的牽引逆變器的使用壽命可延長 80% 以上[13]。Su 等[14]發現，在車輛頻繁起停的城市工況下，SiC-MOSFET逆變器較硅基逆變器具有能量損耗減少和可靠性提升的明顯優勢。較高的溫度耐受性和更好的散熱性能使 SiC-MOSFET 逆變器可以在較高的環境溫度下實現高功率密度工作，這為簡化逆變器及車輛冷卻系統，甚至使用風冷逆變器提供了可能[15]。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]2.2 SiC-MOSFET 在車載 DC/DC 電源變換器中的應用優勢 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]為確保車載 DC/DC電源變換器的最佳性能，須提供穩定的直流電壓并響應負載的迅速變化。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]SiC-MOSFET應用于車載DC/DC電源變換器時具有以下優勢：更低的開關和傳導損耗可以獲得更高的效率和功率密度，更高的介電強度可以使其在更高的電壓下工作，更大的工作溫度范圍可以提高其在不同工作溫度下的穩定性。Kreutzer 等[16-17]開發了一種基于 SiC-MOSFET 的高效車載 DC/DC 電源變換器，其以15 kW的低功率工作時，功率轉換效率達到 98%，以 100 kW 的高功率工作時效率達到99.7%，并能在800 V高電壓下正常工作。基于SiC-MOSFET的車載DC/DC電源變換器的功率密度能夠達到 43 kW/L，遠大于硅基功率半導體 DC/DC 電源變換器的功率密度[18]。基于 SiC-MOSFET 的 DC/DC電源變換器的尺寸可以進一步縮小，從而增大車內可用空間[19]。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]2.3 SiC-MOSFET在OBC中的應用優勢 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]OBC是將動力電池與外部電源建立聯系、進行電力傳輸的重要部件，目前，大多數純電動汽車和插電式混合動力汽車都配備了OBC。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]隨著電動汽車對快速充電需求的不斷增長，大功率、高效率和小體積成為OBC的發展方向。使用SiC-MOSFET 作為 OBC 的功率半導體器件，可以提高功率密度、充電效率和散熱能力，并減小空間占用。Li等[20]提出一種采用SiC-MOSFET的6.6 kW電感-電感-電容器（LLC）的OBC，峰值效率超過96%，功率密度為 3.42 kW/L。Gong 等[21]設計了一種基于SiC-MOSFET 的 OBC，在輸入 240 V 交流電、輸出400 V 直流電的工作條件下，峰值效率高達 98.9%，總諧波失真小于 2%。基于 SiC-MOSFET 的 OBC 的輸出功率可達 22 kW、峰值效率達到 97%[22-23]。同時，相較于硅基 OBC，采用 SiC-MOSFET 可使 OBC的體積減小 24%、質量減輕 28%，功率密度提高 72%以上[24]。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]3 車用SiC-MOSFET技術面臨的挑戰 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]盡管 SiC-MOSFET 性能優異，在電動汽車領域具有較高的應用價值，但與硅基 IGBT 相比，仍存在一些技術挑戰。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]3.1 成本問題 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]目前，SiC-MOSFET 的成本十分高昂[25]，SiCMOSFET 模塊的價格是硅基 IGBT 模塊的 3~5 倍[26]（參考2025年5月份消息wolfspeed擬申請破產保護，國產碳化硅器件是硅基 IGBT的1.3倍左右了）。SiC-MOSFET 在電動汽車上使用數量的增加，將導致整車成本上升、價格競爭力下降。值得注意的是，SiC-MOSFET應用于電動汽車功率轉換部件時，可以減少除功率半導體之外的零部件成本，如散熱系統成本。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]為了更好地評估引入SiC-MOSFET導致的成本提高情況，建立相應的 SiC-MOSFET 逆變器和轉換器的成本模型。以電子元件分銷商 DigiKey 的價格作為參考[6]，對比硅基 IGBT 和 SiC-MOSFET 在汽車上應用的成本，逆變器的總成本如表1所示，逆變器與轉換器的總成本如表 2 所示，OBC 成本如表 3 所示。綜合來看，以 SiC-MOSFET 作為電動汽車功率半導體的成本較使用硅基IGBT的成本高。未來，隨著技術的進步及 SiC 量產帶來的成本下降，SiC-MOSFET很有希望取代硅基IGBT。 |
