碳化硅助力EV电池向高压过渡

虽然硅几乎达到了其理论极限，但碳化硅功率器件已经实现了高度的可靠性和成熟度，在汽车行业提供了快速开关和前所未有的效率水平。本文基于PGC咨询公司进行的一项分析，解释了SiC将如何在从400 V到800V（及更高）电动汽车系统的过渡中发挥重要作用。

在之前的文章中，分析了SiC器件的成本，证明了为什么SiC MOSFET的成本较相同尺寸的Si IGBT高2×至3×并试图预测这些器件的价格将如何随着时间的推移而下降。

图1：Si和SiC功率器件导通电阻-耐压分布图

功率器件特性分布

图1绘制了2021年来自不同制造商的碳化硅MOSFET，额定电压为650V、1200V和1700V，其导通电阻与额定电压对照图。硅基MOSFET和IGBT也包括在内以供参考。

图中的对角线表示每种材料的单极性极限，即给定额定电压理论上可能的最低导通电阻。该限制表明，MOSFET的击穿电压增加2×将导致器件导通电阻增加约4.5×。正如前面提到的文章中已经指出的那样，较低的比导通电阻是降低SiC功率器件成本的重要因素。在评估这些图形时，请记住，即使器件远未达到理想的单极性极限，它仍然可以是一个好的器件。但是，由于其芯片尺寸较大，因此成本会更高。这就是为什么为了最大限度地提高产量，制造商将致力于缩小它们的尺寸，以尽可能接近单极性极限。

碳化硅与硅功率器件比较

如图1所示，最新一代的Si器件几乎是最优的，因为它们中的大多数都非常接近单极性极限。这些器件在100V以下表现出下限，其中由于基板、JFET和沟道引起的固定电阻开始主导器件的总电阻。虽然所研究的两个Si IGBT低于硅的单极性极限，但与其它单极性器件相比，它们涉及较大的开关损耗。因此，在SiC出现之前，设计人员有两种硅基选择：在低电压下工作的快速开关MOSFET或在中高电压下工作的慢速开关IGBT。

在查看图1中的SiC器件时，我们观察到每个电压等级内都存在不同选择。电阻率最低的器件的共同点是它们的高额定电流。因此，它们是具有大有效面积的大芯片，并且较小比例的芯片用于非载流部分，例如栅极焊盘和端接区域。正如预期的那样，自2021年年中以来最近推出的器件的性能甚至比上述图中的器件更好。

导致器件与单极性极限分离的因素包括漂移区域的过度设计以及来自基板和沟道区域的固定电阻。首先，有一个明显的趋势表明，一些制造商过度设计他们的器件，这意味着它们将能够支持比额定电压高得多的电压。这样做是出于可靠性和坚固性的原因，当在接近极限时，保护其中的氧化物免受高电场的影响。因此，具有实际击穿而不是额定击穿的图看起来会有所不同，器件略微接近单极性极限。这将在以后的文章中进一步探讨。

固定电阻意味着额定电压为650V的SiC MOSFET并不是非常接近单极性极限。它们的电阻足够高，以至于今天的650V IGBT版本，沟槽门控场停止技术，可以实现比这些SiC MOSFET更低的传导损耗。然而，当两个器件都以相同的开关频率工作时，与IGBT的大开关损耗相比，传导损耗的这种小幅增加可以忽略不计。

这使得特斯拉能够在650V电压下使用更快的开关器件，更高效的解决方案。2018年Model 3逆变器的重量约为日产Leaf逆变器的40%，但日产Leaf逆变器的功率仅为特斯拉的一半。效率优势将减少车辆中所需的昂贵和沉重的电池数量，从而减少组件成本。

在1200V电压等级，SiC MOSFET证明了其优越特性，其比导通电阻更接近SiC单极性极限。这些器件在1200V时比单极性限值高出14×至33×而在650V时为35×至90×如图2所示，与650V Si IGBT相比，650VSiC MOSFET的功率密度为2×，开关损耗降低了6.5×。这些差异在较高电压下被放大，1200V SiC器件的功率密度比1200V Si IGBT高16×，开关损耗低11×。

图2：SiC MOSFET与额定等效Si IGBT的比较

碳化硅支持800V电动汽车电池

在电动汽车市场中，将400V系统标准翻倍至800V有几个优点。这些优点源于一个简单的想法，即加倍电压允许通过相同的电缆提供两倍的功率，或者保持相同的功率将只需承载一半的电流（或两者之间的权衡值）。一方面，更大的功率输送导致重新排列的电池组的充电速度更快。另一方面，降低电流将允许减少电机周围的铜绕组，减小其尺寸和重量，电缆重量也可能减少。这些优势对整体系统效率、续驶里程扩展和/或系统成本降低具有重大影响。

从对当今最先进的SiC器件的分析中可以清楚地看出，SiC作为一种宽带隙半导体，在最大限度地推动电动汽车向800V母线过渡方面发挥着关键作用。在1200 V时，SiC开始占优，除了可靠性问题，设计遗留和/或保守的应用之外，几乎没有留下任何理由作为坚持使用Si IGBT的原因。因此，对于最近的保时捷Taycan来说，尽管过渡到800V，但SiIGBT解决方案还是胜出，而与此同时，900V Lucid Air选择了SiC MOSFET。

结论

总而言之，Si技术已经非常成熟，MOSFET即将到来，IGBT技术已经成熟。SiC是一个相对较新的器件，但经过短短十年和三代器件的推出，SiC MOSFET已被证明较Si IGBT具有竞争力。该研究支持了PGC咨询公司长期以来的说法：虽然SiC无疑在650V下表现良好，但在1200V及以上电压下却越来越好。

来源：星辰工业电子简讯