SiC MOSFET 在电动汽车领域的应用优势

在电动汽车领域，整车续航对客户的体验至关重要。电动汽车制造商一方面通过布置更大容量的电池来实现更高的续航; 另一方面，从提升电驱动系统的效率和降低整车的阻力来提升续航能力。随着 SiC MOSFET 技术的发展，越来越多的电驱动系统零部件供应商开始应用 SiC 技术来提升电驱动系统的效率。

1. SiC器件相较Si基器件的优势 

相比 Si 基功率半导体，SiC MOSFET优势明显，有着耐高温、更低的导通损耗、更高的工作频率和更高的工作电压等特性。

SiC 材料与 Si 材料性能对比

耐高温。SiC 材料在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达 2. 2-3. 3eV， 达到 Si 材料的 2 倍以上。因此，SiC 材料所能承受的温度更高，一般而言，SiC 器件所能达到的最大工作温度为 600 ℃，但受限于封装材料，目前可用的 SiC MOSFET 的耐温可以做到 175 ℃ ( 个别厂家的封装技术可以做到 200 ℃ ) ，相比于第二代功率半导体的 150 ℃ 有了一定的提升。

高阻断电压。与 Si 材料相比，SiC 材料的击穿场强是 Si 材料的 10 倍多，因此 SiC 器件的阻断电压比 Si 器件高很多。

低损耗。一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，故在相似的功率等级下， SiC 器件的导通损耗比 Si 器件小很多。并且，SiC 器件导通损耗对温度的依存度很小，随温度的变化也很小，这与传统的 Si 器件也有很大差别。

开关速度快。SiC 的热导系数几乎是 Si 材料的 2. 5 倍，饱和电子漂移率是 Si 的 2 倍，所以 SiC 器件能在更高的频率下工作。

2. SiC MOSFET产业链现状

虽然 SiC MOSFET 具备上述优势，但目前在市场上的应用并未普及，其主要原因在于 SiC MOSFET 现阶段的成本依然较高。在 2021 年量产的车型中，仅有特斯拉的 Model 3 和比亚迪的“汉”搭载了 SiC MOSFET 器件。

SiC 产业链主要公司信息

目前具备成熟的 SiC 底材生成能力的供应商都被国际半导体生产商所掌控，包括 Wolfspeed、SiCrystal、NORSTEL等，国外半导体厂商掌握着 SiC 底材的定价权。目前，国内的公司，如三安光电等在底材生成、模块设计和封装环节也具备了一定的能力，但整体距离世界一流水平还有一定差距。SiC MOSFET 的成本较高，还有一个重要原因在于衬底生长缓慢、产量低且良品率低。但是，很多厂家对其成本的降低都有着很乐观的预期，预计在 2035 年成本会大幅降低，可以达到 Si 器件价格 的 1. 5 倍左右，届时 SiC 器件将会迎来大规模的应用。

3. SiC MOSFET 应用的优势与挑战

SiC MOSFET 在实际应用过程中，可以实现更快的开关速度和更高的效率，但其快速的开关速度对驱动电路的设计提出了较高的要求，尤其是整个系统的杂散电感，在快速的开关速度下会造成较大的 EMC 冲击。

3.1 SiC MOSFET 逆变器

汽车级 1200 V MOSFET，具有较低的开关损耗和导通电阻，模块的杂散电感小于10 nH，可 连续工作温度为 150 ℃。

FS03MＲ12A6MA1B SiC MOSFET 模块

基于 FS03MＲ12A6MA1B，开发了一款 800 V 平台下的 SiC MOSFET 逆变器，能够实现峰值电流 450 Arms，峰 值 功 率 300 kW，功 率 密 度 达 到 37. 5 kW /L。在设计中，相比于 HPDrive 封装的 FS380Ｒ12A6T4B（简 称 FS380）Si IGBT，匹配和优化了电源系统、保护电路、寄生电感等部分，如下图所示。

基于 FS03MＲ12A6MA1B 的逆变器

3.2 SiC 应用的优势

通过实际测试，得到不同电流下，SiC MOSFET 和同样规格的 IGBT 的电气特性对比，下表所示。

SiC MOSFET( FS03) 和 Si IGBT( FS380) 开关特性对比

从上表中可以看出，SiC MOSFET( FS03) 要比 IGBT( FS380) 在开关损耗上有明显的降低，下降了约 30% 。其中，在 800 V 电压 380 A 电流的工 况 下，SiC MOSFET ( FS03 ) 开 关 损 耗 下 降 了 30. 2% ; 在 800 V 电压 450 A 电流的工况下，开关损耗下降了 32. 6% 。两种工况下关断损耗的下降更为明显，都超过了 47% 。为了更加直观地比较两种功率器件对车辆续航的影响，以一辆 B 级后驱车为例，进行 CLTC 综合续航的效率和续航里程仿真。仿真结果如下表所 示，可以看出采用了 SiC MOSFET 器件后，平均驱动效率提升了 3. 53%，平均发电效率提升了 3. 47%， 综合续航提升了 8. 6% 。对于纯电动汽车而言，将有着非常大的收益。对于一辆使用 80 kW·h 电池包的纯电动车辆，使用 SiC 器件就相当于节约了 6. 88 kW·h 的电池，或者在使用同样电池的情况 下，使用 SiC 器件就会有 8. 6% 的续航提升。

800 V 平台 SiC MOSFET( FS03) 和 Si IGBT( FS380) 续航仿真结果对比

3.3 SiC 应用的挑战

SiC MOSFET 在效率和续航方面拥有一定的优势，但是在电气性能方面依然存在着很大的挑战。由于其更快速的响应能力，很容易发生电流和电压的震荡。下图为 SiC MOSFET 模块开关电流和电压振荡曲线，其中( a) 为开通电流振荡， ( b) 为关断电压振荡，( c) 为二极管振荡电压，其尖峰控制到了 856 V。从这 3 幅图可以明显地看出 SiC MOSFET 开关时刻的电气振荡要比 IGBT 严 重得多，这些特性对于汽车级应用和 EMC 方面都存在很大的挑战。

SiC MOSFET 模块开关电流和电压振荡曲线

4. 结语

本文对 SiC 材料的特性进行了阐述，SiC MOSFET 在性能上有着非常突出的优势，未来对于纯电动汽车的续航提升起着至关重要的作用。同时，针对 SiC 的产业链进行了一定的分析，由于国际少数供应商把控 SiC 底材的定价权和 SiC 衬底 良品率低等原因，目前 SiC 器件的成本相比于 IGBT 还比较高，预计在 2035 年成本会大幅降低，届时 SiC MOSFET 将迎来大规模的应用。