碳化硅（SiC）在不同电机上的应用差异 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体，其特性重塑了电机驱动系统的设计范式。

物理特性优势：

击穿场强（3.0 MV/cm）：允许器件厚度减少90%，实现更紧凑的功率模块设计。
热导率（4.9 W/cm·K）：散热效率提升，冷却系统体积缩减至传统方案的1/3。
电子饱和漂移速度（2×10⁷ cm/s）：支持开关频率突破100 kHz，显著降低电机铁损。

系统级增益：在2024年全球电机能效报告中，搭载SiC的驱动系统平均效率达96.8%（较硅基系统提升7.2%），其中永磁电机系统峰值效率突破98.1%（美国能源部验证数据）。

3极直流快充简图

在新能源汽车中，碳化硅的应用主要集中在电机控制器和逆变器中。与传统的IGBT相比，碳化硅MOSFET具有更高的开关频率和更低的导通损耗，能够显著提升电机控制器的性能。效率与轻量化得到了双重突破。其核心优势如下：

效率提升：SiC MOSFET的导通电阻和开关损耗显著低于硅基IGBT，可使逆变器效率提升3%-7%，延长电动汽车续航里程10%以上。

体积与重量优化：采用SiC器件后，电机控制器体积可缩小64%，同时因散热需求降低，冷却系统简化，进一步减少整车重量（如比亚迪汉采用SiC模块后，百公里加速达3.9秒）。

高温适应性：SiC器件可在200℃以上稳定工作，避免传统硅器件在高温下性能衰减的问题，尤其适合高负荷运行的驱动电机。

当然在应用上，乘用车和商用车还有一点差异：

乘用车：侧重高功率密度设计，例如采用全SiC模组的主逆变器，重量较硅模组减少6kg，显著优化空间布局。

商用车：更关注高可靠性，通过SiC器件降低热管理复杂度，延长电池寿命，适应长距离运输需求。

在工业电机驱动中，碳化硅的应用主要体现在高功率密度和高效能量转换方面。其高耐压和高频特性使得电机驱动系统能够实现更高效的电力转换，同时减小了系统体积和重量。其关键特点如下：

1、高频化设计：SiC器件支持更高开关频率（可达硅器件的10倍以上），减少滤波元件体积，实现紧凑型工业变频器设计。

2、高功率密度：碳化硅器件的小体积和轻量化特点，有助于减小电机驱动系统的体积。

3、高效能量转换：高耐压和高频特性使其能够在电机驱动系统中实现高效能量转换。

4、耐压能力：SiC击穿场强达硅的10倍，适用于高压工业电机（如1200V以上），减少多级转换损耗。

当然在应用场景上也有差异：

1、重工业领域（如冶金、矿山）：需耐受极端温度与振动，SiC器件的高热导率（3倍于硅）和抗机械应力特性成为关键。

2、精密制造（如数控机床）：依赖SiC的高精度开关特性，减少电磁干扰，提升加工精度。

在轨道交通电机控制器中，碳化硅（SiC）器件凭借其耐高温、高频和高效率特性，显著提升了系统功率密度和能源转换效率，同时减小了设备体积与重量，增强了高温环境下的可靠性和控制精度，为轨道交通电机驱动系统的高效节能和轻量化升级提供了关键技术支撑。总之，在轨道交通电机控制器的应用中是高压与大功率的协同优化。其主要技术需求如下：

1、高压直流牵引系统：SiC器件可承受3.3kV以上电压，减少变压器级数，提升能量转换效率（如碳化硅IGBT模块在高铁牵引系统中效率达98%）。

2、长寿命要求：轨道交通系统需数十年稳定运行，SiC器件的低损耗特性可减少维护频率，降低全生命周期成本。

应用场景主要是城市地铁和高速列车。

城市地铁：采用SiC MOSFET的辅助电源系统，体积减少40%，适应地下空间限制。

高速列车：主牵引逆变器集成SiC模块，支持更高加速度（如日本新干线E5系已实现SiC器件商业化应用）。