800V高压架构提升系统性能之SiC的到来 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

一、背景

我们知道为解决新能源汽车充电时间长的问题，当前在国内汽车行业中采取的较为一致的方案是，通过将整车高压平台由传统的400V提升到800V级别，进而在同等充电电流下提高对整车的充电功率，以此来降低所需的充电时长。

在此新高压架构所引起的高功率充电模式下，由于整车功率密度的提升，致使在同等条件下，高压系统运转的负荷较之400V平台更大，这便进一步导致了整车高压系统的相关零部件在其性能和安全性等方面的压力，为应对此问题进而确保整车的行车安全，对于相关器件的升级被提出。

图1 800V架构引起的零件升级过程示意

二、硬件升级的主要考虑

在基于800V高压平台对相关控制零部件进行硬件升级的过程中，不可避免的会涉及到新架构下器件的选型与匹配，而这其中最主要的部分便是对于高压电源模块的匹配，此变更中在确保新产品性能满足要求的前提下，对于产品成本具有较大影响的主要是在DC/DC、OBC、电机控制单元中的逆变器等高压相关类产品中被大量应用的功率半导体器件，如IGBT、MOSFET、二极管等器件。半导体器件在车载中的应用占比如下图所示：

图2 电动汽车中半导体器件占比

在传统的以400V高压架构为主的电动汽车高压系统中，基于Si（硅）材料的IGBT作为主要应用于高压逆变单元中的核心模块，其在车载功率半导体中的占比已超75%。

图3 功率半导体在电动车中的应用占比

据数据统计，在乘用车领域IGBT于中低端车型中其价值约1000-2000元/辆，于高端车型中达到3000-3900元/辆。在此高价值、高占比的应用背景下，对于在800V高压架构下所引起的该应用模块的变化不得不被各企业所重视。

三、SiC替代Si材料的必要性

对于电机控制单元中的逆变器其本质是一个功率开关，常规工作流程是通过系统输入的小功率控制信号，以起到控制高功率电流的输出的目的，是将动力电池的高功率直流电转换为高功率交流电以供驱动电机使用的关键，其过程示意简图如下：

图4 逆变器是DC-AC的关键

通常情况下，作为车载逆变器核心功率器件的IGBT其衬底材料为Si，虽然该产品具有抗高电压、强电流的特性，但作为一种双极型器件，其在关断时存在拖尾电流，这无疑增加了系统的关断损耗。

同时基于Si的IGBT其承压水平通常为600V左右，无法满足800V甚至更高的高压平台的应用，此性能特性限制了该产品在即将到来的更高压环境中的应用。

另外，由于Si材料的特性致使其在高于50kHz的高频率下工作时，会显著降低系统的能源转换率，而且为了适应产品在一定频率下的正常工作，在其周边电路上需增加许多电容、电感等被动元器件，但这无形中便增加的硬件的复杂度与成本。

图5 Si材器件应用限制

为应对800V高压平台对基于Si材料下的相关功率半导体因性能特性所引起的应用限制，基于SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）等宽禁带半导体材料的第三代半导体在车载产品上得以应用。

首先，相较于Si基材料，SiC材料具有10倍以上的击穿场强，可通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压，让其所应用下的产品具有了更高的耐压水平。

其次，在相同的耐压值下，SiC功率器件的导通电阻较之Si功率器件降低为1/200，且尺寸缩小了10倍，低电阻、小尺寸器件便决定了产品应用中的低功率损耗以及让总成产品更易实现轻量化与小型化。

图6 SiC与Si材料在导通电阻及尺寸上的对比

另外，SiC材料的禁带宽度大是Si的3倍，可更大程度防止漏电流的发生；其热导率是Si的3倍，高热导率让产品散热变得更容易且极限工作温度更高，这可有效降低系统中对散热的性能要求，并可降低热管理的体积和成本。

又SiC的熔点约为2830℃是Si的2倍，由此高性能材料所应用的器件具有耐高温、高压等特性，更适合在更高电压平台的新能源汽车上应用。

同时，基于SiC的器件在应用中不存在电流拖尾现象，能够为系统提供更高的开关速度，其约是Si器件下的2倍以上，对于高频率应用可在较少硬件复杂度的同时不降低系统能源转换效率。

图7 SiC材料的优势

综上所述，对Si材料与SiC在车载应用中的性能对比如下图所示：

图8 Si与SiC性能对比

通过SiC MOSFET所实现的车载逆变器与Si材料的IGBT应用的逆变器相比，在实现耐高压、高温的同时可让产品做到体积更小、重量更轻，且由于材料性能的提升，让系统在开关损耗、导电损耗等方面都得到大幅降低，而在高功率高频率工作状态下又能提高系统的能源转换效率。相较之下，新材料的应用让系统的能量损耗较之之前至少降低了3/4。