SiC MOSFET 在电动汽车领域的应用

在电动汽车领域，整车续航对客户的体验至关重要。电动汽车制造商一方面通过布置更大容量的电池来实现更高的续航; 另一方面，从提升电驱动系统的效率和降低整车的阻力来提升续航能力。随着 SiC MOSFET 技术的发展，越来越多的电驱动系统零部件供应商开始应用 SiC 技术来提升电驱动系统的效率。

1. SiC器件相较Si基器件的优势

相比 Si 基功率半导体，SiC MOSFET优势明显，有着耐高温、更低的导通损耗、更高的工作频率和更高的工作电压等特性。

SiC 材料与 Si 材料性能对比

• 耐高温。SiC 材料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. 2-3. 3eV， 达到 Si 材料的 2 倍以上。因此，SiC 材料所能承受的温度更高，一般而言，SiC 器件所能达到的最大工作温度为 600 ℃，但受限于封装材料，目前可用的 SiC MOSFET 的耐温可以做到 175 ℃ ( 个别厂家的封装技术可以做到 200 ℃ ) ，相比于第二代功率半导体的 150 ℃ 有了一定的提升。
• 高阻断电压。与 Si 材料相比，SiC 材料的击穿场强是 Si 材料的 10 倍多，因此 SiC 器件的阻断电压比 Si 器件高很多。
• 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。并且，SiC 器件导通损耗对温度的依存度很小，随温度的变化也很小，这与传统的 Si 器件也有很大差别。
• 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。

2. SiC MOSFET产业链现状

虽然 SiC MOSFET 具备上述优势，但目前在市场上的应用并未普及，其主要原因在于 SiC MOSFET 现阶段的成本依然较高。在 2021 年量产的车型中，仅有特斯拉的 Model 3 和比亚迪的“汉”搭载了 SiC MOSFET 器件。

SiC 产业链主要公司信息

目前具备成熟的 SiC 底材生成能力的供应商都被国际半导体生产商所掌控，包括 Wolfspeed、SiCrystal、NORSTEL等，国外半导体厂商掌握着 SiC 底材的定价权。目前，国内的公司，如三安光电等在底材生成、模块设计和封装环节也具备了一定的能力，但整体距离世界一流水平还有一定差距。SiC MOSFET 的成本较高，还有一个重要原因在于衬底生长缓慢、产量低且良品率低。但是，很多厂家对其成本的降低都有着很乐观的预期，预计在 2035 年成本会大幅降低，可以达到 Si 器件价格 的 1. 5 倍左右，届时 SiC 器件将会迎来大规模的应用。

3. SiC MOSFET 应用的优势与挑战

SiC MOSFET 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。本文以英飞凌 HPDrive 封装 的 FS03MＲ12A6MA1B( 简称 FS03) 模块为例，对 SiC MOSFET 应用的优势和挑战进行详细阐述。

3.1 SiC MOSFET 逆变器

FS03MＲ12A6MA1B 是英飞凌公司的新一代 CoolSiC 汽车级 1200 V MOSFET，具有较低的开关损耗和导通电阻，模块的杂散电感小于10 nH，可 连续工作温度为 150 ℃。

FS03MＲ12A6MA1B SiC MOSFET 模块

基于 FS03MＲ12A6MA1B，开发了一款 800 V 平台下的 SiC MOSFET 逆变器，能够实现峰值电流 450 Arms，峰 值 功 率 300 kW，功 率 密 度 达 到 37. 5 kW /L。在设计中，相比于 HPDrive 封装的 FS380Ｒ12A6T4B（简 称 FS380）Si IGBT，匹配和优化了电源系统、保护电路、寄生电感等部分，如下图所示。

基于 FS03MＲ12A6MA1B 的逆变器

3.2 SiC 应用的优势

通过实际测试，得到不同电流下，SiC MOSFET 和同样规格的 IGBT 的电气特性对比，下表所示。

SiC MOSFET( FS03) 和 Si IGBT( FS380) 开关特性对比

从上表中可以看出，SiC MOSFET( FS03) 要比 IGBT( FS380) 在开关损耗上有明显的降低，下降了约 30% 。其中，在 800 V 电压 380 A 电流的工 况 下，SiC MOSFET ( FS03 ) 开 关 损 耗 下 降 了 30. 2% ; 在 800 V 电压 450 A 电流的工况下，开关损耗下降了 32. 6% 。两种工况下关断损耗的下降更为明显，都超过了 47% 。为了更加直观地比较两种功率器件对车辆续航的影响，以一辆 B 级后驱车为例，进行 CLTC 综合续航的效率和续航里程仿真。仿真结果如下表所 示，可以看出采用了 SiC MOSFET 器件后，平均驱动效率提升了 3. 53%，平均发电效率提升了 3. 47%， 综合续航提升了 8. 6% 。对于纯电动汽车而言，将有着非常大的收益。对于一辆使用 80 kW·h 电池包的纯电动车辆，使用 SiC 器件就相当于节约了 6. 88 kW·h 的电池，或者在使用同样电池的情况 下，使用 SiC 器件就会有 8. 6% 的续航提升。

800 V 平台 SiC MOSFET( FS03) 和 Si IGBT( FS380) 续航仿真结果对比

3.3 SiC 应用的挑战

SiC MOSFET 在效率和续航方面拥有一定的优势，但是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 SiC MOSFET 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 856 V。从这 3 幅图可以明显地看出 SiC MOSFET 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。

SiC MOSFET 模块开关电流和电压振荡曲线

4. 结语

本文对 SiC 材料的特性进行了阐述，SiC MOSFET 在性能上有着非常突出的优势，未来对于纯电动汽车的续航提升起着至关重要的作用。同时，针对 SiC 的产业链进行了一定的分析，由于国际少数供应商把控 SiC 底材的定价权和 SiC 衬底 良品率低等原因，目前 SiC 器件的成本相比于 IGBT 还比较高，预计在 2035 年成本会大幅降低，届时 SiC MOSFET 将迎来大规模的应用。

本文采用英飞凌的 SiC MOSFET 模块，开发了一套 300 kW 的车用逆变器，与相同平台下的 IGBT 模块进行了对比测试，证明了其在效率和整车续航方面有着巨大优势。同时，在开发过程中也发现了 SiC 在电气性能上存在着电流和电压震荡现象，这会使得 SiC MOSFET 在 EMC 和汽车级应用方面面临一定的挑战。

（来源：上海汽车）