2023 年以碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體在電動(dòng)汽車 (EV) 牽引逆變器中的兩項(xiàng)重大設(shè)計(jì)勝利開始，牽引逆變器位于 EV 中的高壓電池和電動(dòng)機(jī)之間，可將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換為 EV 電動(dòng)機(jī)使用的交流電。 ? 首先，2023 年 1 月 4 日，onsemi 宣布其 SiC 模塊將為起亞 EV6 GT 車型的牽引逆變器供電，實(shí)現(xiàn)從 800 V 直流電池到后橋交流驅(qū)動(dòng)的高效功率轉(zhuǎn)換。值得一提的是，2022年12月，意法半導(dǎo)體宣布其SiC模組已納入現(xiàn)代電動(dòng)全球模組平臺（E-GMP），起亞EV6等多款車型共享。 ? 后來，2023年1月10日，2010年開始量產(chǎn)SiC MOSFET 的Rohm Semiconductor 宣布其 SiC MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 將為日本汽車零部件供應(yīng)商 Hitachi Astemo 開發(fā)的 EV 逆變器提供動(dòng)力。柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 是 EV 逆變器中的重要組件，它在逆變器控制微控制器 (MCU) 和向逆變器供電的 SiC MOSFET 之間提供接口。柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 在低壓域中接收來自 MCU 的控制信號，并傳輸這些信號以快速打開和關(guān)閉高壓域中的功率器件。 ? SiC 半導(dǎo)體在DC/DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器和車載充電器 (OBC) 等電動(dòng)汽車系統(tǒng)中得到廣泛采用 。本文將解釋 SiC 半導(dǎo)體和模塊如何重振牽引逆變器，這是車輛電氣化的基本組成部分。根據(jù) Research and Markets 的數(shù)據(jù)，到 2028 年，全球牽引逆變器行業(yè)預(yù)計(jì)將達(dá)到 390 億美元。

800 伏系統(tǒng)逆變器中的碳化硅

雖然將典型 400 V 電池的電壓加倍可為 EV 帶來巨大好處，但對于依賴硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 的 EV 逆變器來說，在更高電壓下的性能會(huì)受到影響。因此，汽車設(shè)計(jì)企業(yè)正在用 SiC 取代傳統(tǒng)的 Si 功率器件。SiC 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度并且可以在更高的溫度下工作。與對應(yīng)的 Si 器件相比，SiC 器件更小并且可以承受更高的工作電壓。 ? 以汽車解決方案供應(yīng)商 Delphi Technologies 為例，該公司在轉(zhuǎn)向 800 V 電池系統(tǒng)時(shí)，在 EV 逆變器中采用了Wolfspeed的 SiC MOSFET。這使得Delphi能夠開發(fā)出比競爭對手的逆變器輕 40%、緊湊 30% 的逆變器。 ? SiC 功率開關(guān)是Delphi逆變器設(shè)計(jì)的核心，有助于實(shí)現(xiàn)更高水平的雙面冷卻集成。這顯著降低了 SiC 組件與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的熱阻。這是電動(dòng)汽車等高功率應(yīng)用的一個(gè)重要方面，在這些應(yīng)用中，功率模塊的散熱至關(guān)重要。 ? 與硅基逆變器相比，冷卻系統(tǒng)與 SiC MOSFET 的高效接口導(dǎo)致功率系統(tǒng)更輕、更小、成本更低。因此，在 EV 逆變器中，基于 Si IGBT 的功率開關(guān)正越來越多地被 SiC MOSFET 取代，SiC MOSFET 可將開關(guān)損耗降低多達(dá) 70%，從而提高電氣化推進(jìn)系統(tǒng)的性能并降低成本。 ? 除了更高的開關(guān)效率和更高的結(jié)溫能力外，SiC MOSFET 還提供改進(jìn)的短路耐受時(shí)間和更低的導(dǎo)通電阻。與 Si IGBT 相比，這進(jìn)一步降低了功耗。Rohm聲稱，根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)WLTC燃油效率測試計(jì)算，其第四代SiC MOSFET與主逆變器中的IGBT相比，功耗降低了6%。 ? ?

從 Si IGBT 到 SiC MOSFET

在牽引逆變器（電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分）中，像 IGBT 這樣的開關(guān)設(shè)備最初管理電源，因?yàn)槟孀兤鲗⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車電機(jī)的交流電。多年來，工程師們意識到逆變器在 EV 性能和續(xù)航里程方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在這里，節(jié)能組件可以以更高的效率從電池中提取更多能量，從而延長續(xù)航里程并減小車載電池的尺寸。 ? 接下來，雖然電動(dòng)汽車的續(xù)航里程以及電池尺寸和重量一直是一個(gè)關(guān)鍵問題，但當(dāng)電動(dòng)汽車從 400V 電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)向 800V 電池系統(tǒng)時(shí)，汽車工程師開始尋找能夠有效處理更高工作電壓和溫度的組件。就在那時(shí)，SiC MOSFET 成為牽引逆變器等電動(dòng)汽車構(gòu)建模塊的首選技術(shù)。 ? 據(jù)Delphi科技首席執(zhí)行官 Richard F. Dauch 稱，與 400 V 系統(tǒng)相比，基于 SiC 的逆變器可使高達(dá) 800 V 的電氣系統(tǒng)顯著延長 EV 續(xù)航里程并將充電時(shí)間減半?！皩㈦妷簭?400 V 提高一倍可以為汽車用戶和制造商帶來廣泛的好處，”他說。 ? onsemi 執(zhí)行副總裁兼電源解決方案事業(yè)部總經(jīng)理 Simon Keeton 詳細(xì)闡述了基于 SiC 的動(dòng)力牽引解決方案的優(yōu)勢?！案呙芏?SiC 器件最大限度地減少了寄生效應(yīng)和熱阻，”他說。“這會(huì)減少與直流到交流轉(zhuǎn)換相關(guān)的功率損耗，同時(shí)減小牽引逆變器的尺寸和重量?！?? 根據(jù)行業(yè)研究公司 IHS Markit 的數(shù)據(jù)，到 2025 年，全球高達(dá) 45% 的汽車生產(chǎn)將實(shí)現(xiàn)電氣化，每年將售出約 4600 萬輛電動(dòng)汽車。據(jù)估計(jì)，到 2030 年，這些數(shù)字將上升到 57%，每年的電動(dòng)汽車銷量約為 6200 萬輛。 ? 雄心勃勃的汽車電氣化之路首先需要高壓功率器件。在這里，SiC 半導(dǎo)體因其更快的開關(guān)速度和支持更高的電壓和溫度而被公認(rèn)為一種技術(shù)選擇。 ? 隨著全球?qū)ζ囯姎饣耐苿?dòng)，這使得 SiC 成為 2023 年及以后值得關(guān)注的技術(shù)。

編輯：黃飛