碳化硅在电动汽车中主要应用 - 深圳国际电力元件

第三代半导体技术以及碳化硅(SiC)材料，正迅速崛起并且在科技产业中引起广泛关注，这两个领域的结合，为我们带来了前所未有的机会和挑战，将深刻改变我们的生活方式、产业发展，甚至全球经济格局。

第三代半导体是什么

第三代半导体技术是基于新的材料和结构，以满足当前和未来高效能、低功耗、高频率等需求。这种半导体技术的发展旨在克服传统硅半导体的限制，以实现更高性能和更多的应用。第三代半导体技术相对于传统半导体技术（通常是基于硅材料的技术）具有多方面的优势，这些优势使它们在各种应用中具有重要的价值，以下是第三代半导体技术的一些主要优点：

高性能：第三代半导体材料（如碳化硅SiC）具有优异的电子特性，包括高电子迁移率和高电流密度，使得它们能够实现更高的工作频率和更高的功率密度。这使得在高性能应用中，如高速通信、高效能电源管理和人工智慧处理等方面更具竞争力。

低功耗：第三代半导体技术通常具有较低的功耗，这对于延长电池寿命、节省能源以及降低运营成本非常重要。尤其在移动设备、电动车、无线通信等应用中，低功耗是一个关键的考量。

高温稳定性：碳化硅和氮化镓等第三代半导体材料具有优异的高温稳定性，这使得它们适用于高温环境下的应用，例如汽车引擎控制、航空航天、高温电源转换等。

高频操作：第三代半导体技术可以实现高频操作，这使得它们在高速通信和无线通信等领域中具有潜力。高频率操作能够实现更快的数据传输速度和更低的通信延迟。

节能环保：由于低功耗和高效能转换特性，第三代半导体技术有助于节约能源和减少碳足迹。这符合当今全球节能和碳中和的重要目标。

小尺寸高集成度：一些第三代半导体技术可以实现更小的器件尺寸和更高的集成度，这使得在有限的空间内实现更多功能成为可能，同时降低了成本。

第三代半导体技术的优点包括高性能、低功耗、高温稳定性、高频操作、节能环保以及小尺寸高集成度。这些优势使它们在各种应用领域中受到广泛关注，从而推动了半导体行业的不断创新和进步。

碳化硅(SIC)是什么

定义：SiC碳化硅器件是指以碳化硅为原材料制成的器件，按照电阻性能的不同分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅基射频器件。它是一种广泛应用的非金属材料，因其一些独特的物理和化学特性而受到广泛关注。

高耐压特性：碳化硅材料具有优异的绝缘性能和高耐压能力，因此非常适合在高压环境中使用。这使得碳化硅元件在电力转换和控制应用中特别有用，例如电动车和电动车充电桩。

低耗损特性：碳化硅材料的低电导率损失意味着在电流通过时产生的热量相对较少。这使得碳化硅元件在高功率应用中表现出色，同时能够降低能源消耗和提高效率。

高温稳定性：碳化硅能够在极高温度下稳定运作，这对于在高温环境中工作的应用非常重要。它可以用于车辆电子、航空航天、太阳能发电以及工业设备等需要高温操作的领域。

高频操作：由于碳化硅具有高电子迁移率，它在高频电子元件中表现出色。这对于通信设备、雷达系统和高频功率放大器等应用非常有价值。

节能环保：由于碳化硅的高效能转换特性和低功耗，它有助于节约能源和减少碳排放，这符合现代绿色能源和环保的趋势。

碳化硅是一种多功能的半导体材料，拥有强大的高压、高功率、高温、高频等特性。这使得它在电动车、电动车充电桩、再生能源发电设备等应用中具有巨大的应用潜力，并有望在未来的科技和工业领域中发挥更多作用。

碳化硅(SIC)的电动车应用

在中高压领域，碳化硅基电力电子器件将继续渗透，新能源汽车仍将是最大应用领域。导电型碳化硅功率器件广泛应用于新能源汽车、光伏、高铁、工业电源等领域，汽车是最大的终端应用市场。

功率转换器和电源控制器：电动车的电动机需要控制器来调节电流和电压，碳化硅电晶体（SiCMOSFETs或SiCIGBTs）被广泛应用于功率转换器和电源控制器中。碳化硅元件具有较低的电导通损耗和高温稳定性，这使得它们能够实现高效率的能源转换，同时减少散热需求，有助于提高电动车的续航里程和效能。

快速充电技术：电动车的充电速度是一个关键问题，碳化硅的高功率特性使其成为快速充电技术的理想选择。碳化硅元件可以实现更高的充电功率，缩短充电时间，提高用户的便利性。

高温操作：电动车的电子元件需要能够在高温环境下稳定运作，例如在电动车引擎室中。碳化硅元件的高温稳定性使得它们在这样的应用中表现出色，并有助于提高电动车的可靠性。

节能和续航里程：由于碳化硅的低功耗特性，它有助于减少电动车的能源消耗，延长电池的续航里程。这对于提高电动车的经济性和环保性非常重要。

导电型碳化硅功率器件目前主要应用于逆变器中。它提供了高效率、高功率、高温稳定性和节能等优点，有助于推动电动车技术的发展，提高了电动车的性能和可靠性。

碳化硅在电动汽车领域主要用于：主驱逆变器、车载充电系(OBC)、电源转换系统(车载DC/DC)和充电桩

主驱逆变器：碳化硅MOSFET在电动汽车主驱逆变器中相比Si-IGBT优势明显，虽然当前SiC器件单车价格高于Si-IGBT，但SiC器件的优势可降低整车系统成本：（1）由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率转换效率更高，根据Wolfspeed数据，采用碳化硅MOSFET的电动汽车续航距离相比硅基IGBT可延长5%-10%，即在同样续航里程的情况下可减少电池容量，降低电池成本。（2）碳化硅MOSFET的高频特性可使得逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸得以大幅减少，进而噪声音量也会降低。电驱体积的减小，可以减少整体电机系统的磨损。（3）碳化硅MOSFET可承受更高电压，在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度，从而使得束线轻量化，节省安装空间。

车载充电系统(OBC)：车载充电机(OBC)为电动汽车的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电的关键功能，通过使用车载充电器可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行充电，OBC是决定充电功率和效率的关键器件。对于电动汽车车载充电机来说，碳化硅MOSFET相比Si基器件同样具有系统优势：（1）更低的系统成本。虽然SiC器件相较于Si基器件价格较贵，但是使用SiC器件的OBC可以节省磁感器件和驱动器件成本，从而降低系统成本。（2）更高的峰值效率。OBC中使用SiC器件后充电峰值效率较使用Si基器件的系统提升2点。（3）更大的功率密度。使用SiC器件的系统功率密度较Si基器件提升约50%，从而减少OBC的重量和体积。

电源转换系统(车载DC/DC)和充电桩：DC-DC转换器是改变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器。车载DC/DC转换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电，主要给车内动力转向、水泵、车灯、空调等低压用电系统供电。未来随着电动汽车电池电压升至800V高压平台，1200V的SiCMOSFET有望被广泛应用于DC-DC转换器中：（1）首先，OBC与DC-DC等功率器件集成化趋势显，22KW车载充电机中，DC-DC转换器与OBC有望集成（2）其次，双向DC-DC转换器中，SiC的高速恢复特性最为合适；（3）为能够适配原400V直流快充桩，搭载800V电压平台的新车须配有额外DC-DC转换器进行升压，进一步增加对DC-DC的需求。

未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业、通讯等领域渗透率提升，碳化硅器件市场规模有望持续提升。2027年全球碳化硅器件市场规模有望超过80亿美元。