碳化硅在新能源汽车中的应用

碳化硅(SiC)材料因其优越的物理特性，受到人们广泛的关注和研究。当特斯拉宣布Model 3.随着碳化硅的出现，市场也开始关注碳化硅最初的利基领域。那碳化硅在电子汽车领域到底起到什么作用呢？为什么会受到这么大的关注？

首先我们来了解碳化硅究竟有什么特点。与目前应该广泛的Si材料相比，SiC材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，然而较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。其优点主要可以概括为以下几点：

1) 高温工作

SiC在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2eV至3.3eV，几乎是Si材料的两倍以上。因此，SiC所能承受的温度更高，一般来说，SiC器件所能达到的最大工作温度可到600 ºC。

2) 高阻断电压

与Si材料相比，SiC的击穿场强是Si的十倍多，因此SiC器件的阻断电压比Si器件高很多。

3) 低损耗

一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，故在相似的功率等级下，SiC器件的导通损耗比Si器件小很多。且SiC器件导通损耗对温度的依存度很小，SiC器件的导通损耗 随温度的变化很小，这与传统的Si器件也有很大差别。

4) 开关速度快

SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的频率下工作。

综合以上优点，在相同的功率等级下，设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积都能大大减小，同时效率也有大幅度的提升。

回到这里，碳化硅的这些优势在电子汽车领域中起到怎样的关键作用呢？

碳化硅的出现可以在一定程度上缓解电动汽车重量和耐久性之间的平衡，在动力控制单元中，碳化硅装置可以使电池更轻、更长、更强。碳化硅装置可以缩短充电时间。

随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的运用与地位越来越高。汽车产业是国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，今后较长一段时期内，汽车的需求量仍将保持增长势头，而随着新能源汽车渗透率的提高，碳化硅在电子汽车中的运用与地位越来越高。

与中高端手机对更高性能处理器的追求类似，碳化硅不仅可以提高新能源汽车的能量转换效率，而且还可以提高汽车的整体成本，但更高的价格将覆盖这部分成本。因此，为了获得更多的行业利润，各厂商的中高端车也将陆续配备碳化硅设备。

由于碳化硅（SiC ）材料等特点，Sic MOSFET作为属于第三代宽禁带功率半导体，相比于以Si材料为主的第二代功率半导体，SiC MOSFET有着明显的优势.它在导通电阻、开关等方面损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。如图所示（Sic和Si的对比）

不过，Sic-MOSFET也有美中不足之处。它在实际应用过程中，可以实现更快的开关速度和更高的效率，但其快速的开关速度对驱动电路的设计提出了较高的要求，尤其是整个系统的杂散电感，在快速的开关速度下会造成较大的EMC冲击。

同样的，Sic-MOSFET在电气性能方面依然存在着很大的挑战。由于其更快速的响应能力，很容易发生电流和电压的震荡。

下图为SiCMOSFET模块开关电流和电压振荡曲线，其中(a)为开通电流振荡，(b)为关断电压振荡，(c)为二极管振荡电压，其尖峰控制到了856V。从这3幅图可以明显地看出SiCMOSFET开关时刻的电气振荡要比IGBT严重得多，这些特性对于汽车级应用和EMC方面都存在很大的挑战。

（微碧VBsemi半导体的Sic-MOSFET产品参数）如下图: