碳化硅器件怎么组成逆变器？

逆变器是动力总成系统的关键部件，它能够将存储在电池中的直流电能转换电机需要的交流电，还能在制动过程中将电动机回收的交流电转换为直流电提供给电池使用。

电动汽车需要的逆变器数量取决于其使用的电动机数量，一般每台电动机需要一台逆变器。

每台逆变器里都有一个电源模块，通常由六个电源半导体开关组成，用于将电能从电池组传输到电动机，反之亦然。

高电压的逆变器可以为电动汽车提供更高功率，增强电压灵活性，同时缩小电池包尺寸，缩短电动汽车充电时间，并且提高续航里程。

2018年特斯拉发布Model 3 ，成为首家逆变器内部设计添加ST Microelectronics 的 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的公司。使逆变器的总重量（4.8kg）不到2019 年Nissan Leaf（11.15kg）的一半，比使用 Si IGBT的Jaguar I-PACE（8.23kg）少三分之一的逆变器和零件。开启了碳化硅逆变器的应用新篇章。

下面，我将带你进一步了解碳化硅器件是如何组成逆变器的。

这一切，仍旧要回归逆变器的功能——将直流电（DC）转化为正弦交流电（AC）。如下图所示，左边为直流电，而右边为正弦交流电——随着时间的变化，电压增加再减少，最后低于零，再增加，不断重复。

那正弦交流电是怎么产生的呢？这个涉及到两步，第一步是产生方形交流电，第二步使得方形成为正弦型。

第一步：产生方形交流电。

其实一开始使用的交流电没有这么多的变化，波形如下图所示。这是最基本的交流电——产生正的电压，再产生负的电压，不断重复。

要实现方形交流电，由波形就可以看出，只要让流经电动机的电流一会是正向的，一会反向就行了。为了实现这样的效果，有这么一种四个开关的电路，如下图所示，AB两点接电动机。标准的名字呢，是全桥逆变电路。

这时候你就明白了，只需要控制开关不停的切换，就可以使得流过电动机的电流不断的从正到负变换了。这就是产生方波交流电的原理。每切换两次开关，就是一次交流电的周期。如果你一秒切换两次，那么输出的交流电的频率就是1Hz。

日常生活中的交流电的频率一般为50Hz（中国）或60Hz（美国），而无线电技术中涉及的交流电频率一般较大，达到kHz，甚至MHz的度量。这么高的切换速度，没有人可以做到，而这样的开关，所有的机械操作也做不到。

这时候，MOSFET登场了。MOSFET每秒可以开关数千次，而使用SiC制成的MOSFET更是可以承受kHz以上的频率，这就是所谓的高频器件。

这样，我们就完成了第一步，使用四个MOSFET制成的开关电路实现方形交流电的输出。但是，方波切换的不连续，会使得电动机的损耗大大增加，甚至产生破坏和噪音。接下来，就是将方形交流电转化为正弦交流电。

第二步：将方形交流电转化为正弦交流电

这里需要用到的技术叫做脉冲宽度调制——也就是改变切换开关的持续时间。一开始持续时间短，这样平均下来就小了。中间持续时间长些，就有最大值了。用相同的时间宽度去处理这些信号，那就慢慢从数字信号转化为模拟信号了。脉冲宽度调节得越小，得到的信号就越接近正弦波。

那么，如何控制开关的持续时间呢？这里引入了两个比较器。比较器的第一个作用是防止电路短路，也就是开关S1和S2是不会不会同时开通，开关S3和S4是不会不会同时开通；第二个作用是比较三角波交流电和正弦波交流电（这两个信号来源于其他电路），形成电动机的电压差，也就是控制MOSFET的开关。这些电路就是逻辑电路，同样可以使用SiC器件实现。

为了使得曲线更加平滑，还可以再接上电容和电感等储能元件，或者说滤波元件。电感用来平滑电流曲线，电容用来平滑电压曲线。这时候，就得到了正弦交流电。

这时候，使用的电源只有一个电压。如果引入更多的电压值，那可以得到更加精细的正弦波。这种技术叫做多重电压逆变技术，可以用在电动汽车、风力发电机等需要更加精细的交流电的场合。

频率控制电动车的速度，振幅控制电动车的动力，这样，逆变器的原理你就学会了。

举个逆变器的实例，是不是看得懂了呢？

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碳化硅导通损耗和开关损耗优势明显。就电动汽车逆变器而言，功率器件是核心能量转换单元，其损耗包含两部分，导通损耗Econ 和开关损耗Esw。

碳化硅在电流比较小也就是轻载的工况下导通损耗优势是比较明显的，再结合轻载工况开关损耗占比更大（碳化硅开关损耗也低），这也印证了为什么碳化硅更适合城市工况。因此逆变器应用碳化硅MOS 体现在效率Map 上就是高效区面积比较大。

另外，碳化硅MOS 打开时双向导通，又规避了IGBT 模块在续流时，FRD 的导通压降比IGBT 大的问题，进一步降低导通损耗。

碳化硅可降低整车能耗。根据海外机构试验数据，按照WLTC 工况（更接近实际城市工况）续航能力的提升，基于750V IGBT 模块及1200V 碳化硅模块仿真显示，400V 母线电压下，由750V IGBT 模块替换为1200V 碳化硅模块，整车能耗降低6.9%；如果电压提升至800V，整车能耗将进一步降低7.6%。

HPDrive 封装a)750V IGBT 模块 b)1200VCoolSiCTM

碳化硅除了有效率优势外，还具有以下优势：

• 相同电压、电流等级情况下，碳化硅MOS 芯片面积比IGBT 芯片要小，设计出的功率模块功率密度更大，更小巧；
• 碳化硅芯片耐更高的温度，理论上远超175℃；
• 高频电源设计能够缩小系统储能器件的体积，例如大电感及大容量电容等。

SiC器件在电动汽车中的应用

SiC在电动汽车应用中的优势

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新能源车功率半导体价值量大幅增加：新增功率器件价值量主要来自于汽车的“三电”系统，包括电力控制，电力驱动和电池系统。

在动力控制单元中，IGBT 或者SiC 模块将高压直流电转换为驱动三相电机的交流电；在车载充电器AC/DC 和DC/DC 直流转换器中，都会用到IGBT 或者SiC、MOS、SBD 单管；在电动助力转向、水泵、油泵、PTC、空调压缩机等高压辅助控制器中都会用到IGBT 单管或者模块；在ISG 启停系统、电动车窗雨刮等低压控制器中都会用到MOS 单管。

SiC在电动汽车中的应用

• 丰田燃料电池车Mirai 车型采用碳化硅模块

电装已经开始批量生产搭载了SiC（碳化硅）功率半导体的新一代升压功率模块，该模块将应用于丰田燃料电池车Mirai 车型。电装与丰田的SiC功率模块的应用历经HEV、燃料电池巴士和燃料电池乘用车。新Mirai 的新一代固态燃料电池核心组件Toyota FC Stack 搭配了使用多个SiC 功率半导体的FC 升压变换器。升压变换器作用是输出高于输入电压的电压。

（电装应用于燃料电池）Mira 车型的SiC逆变器模块功率模块体积缩小了30%，损耗降低了70%。根据电装的测算，与采用Si基功率半导体的产品相比，搭载了SiC 功率半导体（含二极管和晶体管）的新型升压功率模块体积缩小了约30%，损耗降低了约70%，在实现功率模块小型化的同时提升了车辆的燃油效率。

搭载SiC功率模块的全新MIRAI与原MIRAI性能对比

搭载SiC 模块的新Mirai 续航里程提升30%。丰田表示，通过在FC 升压变压器中使用SiC 半导体，采用锂离子低压蓄电池等方式，降低系统能耗损失。同时，在提升FC 电堆性能的基础上，通过采用触媒活性再生控制技术，提升发电效率。从而丰田实现了新Mirai WLTC 工况最高续航里程约850km，较上一代车型提升约30%。

• 比亚迪汉采用SiC MOSFET 提升加速性能、功率及续航能力。

2020 年，比亚迪汉 EV 车型电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造的SiC MOSFET 控制模块，大大提高了电机性能。

碳化硅加速性能好。宽禁带最直接的好处，有更高的击穿场强，也就是耐高压，即是可以控制更高的系统电压。比亚迪汉能够使用650V 电压平台，也有碳化硅的功劳。高电压意味着低电流，能减少设备电阻的损耗。

对电机设计来说，也更容易在小体积下实现更高功率，也因此，比亚迪汉可以轻松实现3.9S 的 0–100 加速性能。

碳化硅可实现大概率及高续航。除了宽禁带带来的优势外，碳化硅还有两大优势，一个是饱和电子速度更高，一个是导热率更高、耐温性能更高。

饱和电子速度快，也就是可以通过更大的电流。碳化硅材料的电子饱和速度是硅材料的两倍，因此在设备设计时，匹配的电流强度更容易远离设备的饱和电流，也就能实现在导通状态下更低的电阻。

这能减少电能的损耗，也有助于降低设备发热，简化散热设计。特别是在瞬时大电流情况下，设备温度积累减少，再加上耐温性增加与材料本身更强的导热率，也让设备散热更容易。车辆也就能爆发出更大的功率。

以上是比亚迪汉能实现363Kw 功率的原因。使用磷酸铁锂的情况下能达到605 公里的续航里程，显然也有碳化硅的功劳。

除了比亚迪汉外，国内采用SiC的车型中，蔚来ET7将在明年一季度交付，小鹏G9将在2022年第三季度交付。

碳化硅逆变器的应用，在整个行业范围内仍然是在探索过程中发展，期待碳化硅在汽车中的潜力再一次被激发！

来源：碳化硅芯观察