摘要：
以碳化硅(siliconcarbide，SiC)为主的第3代半导体技术突破了硅材料半导体器件在耐压等级、工作温度、开关损耗和开关速度上的极限，能够显著减少电力电子变换器的重量、体积、成本，提高电力电子系统的性能。一直以来，高功率密度电动汽车电力驱动系统一直是新一代大功率电动汽车发展的主要挑战，而宽禁带功率器件的应用，将对新一代电动汽车特别是混合电动汽车的发展产生重要影响。论文主要介绍SiC功率半导体器件的发展，对SiC器件在电动汽车中的研究现状与应用前景进行分析和展望，最后探讨SiC器件在电动汽车电力驱动系统应用中面临的主要问题。
引言
以硅(silicon,Si)为主要材料的电力电子功率半导体器件是纯电动汽车(electricvehicle，EV)和混合电动汽车(hybridelectricvehicle，HEV)电力驱动系统的重要组成部分，是电动汽车动力性能、可靠性和成本的关键因素。电动汽车的电动机是有源负载，其转速范围很宽，且在行驶过程中需要频繁地加速和减速，工作条件比一般的调速系统要复杂，因此，其驱动系统是决定电动汽车性能的关键所在。随着电动汽车的发展，对电力电子功率驱动系统提出了更高的要求，即更轻、更紧凑、更高效、更可靠。然而，由于材料限制，传统硅基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限，如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性，如图1所示。
根据汽车动力来源，电动汽车分为纯电动汽车、混合电动汽车和燃料电池电动汽车，其中，纯电动汽车完全靠储能电池供电驱动；混合电动汽车采用汽油和电池共同驱动；燃料电池电动汽车则以清洁燃料发出的电能驱动。目前，以油电混合型电动汽车最具应用前景，两种动力源在汽车不同的行驶状态(如起步、低中速、匀速、加速、高速、减速或者刹车等)下分别工作或者同时工作，通过这种组合达到最少的燃油消耗和尾气排放，从而实现省油和环保的目的。HEV有串联、并联和混联3种工作模式，串联型HEV仅由电动机驱动；并联型HEV的内燃机动力和电动机动力通过机械装置耦合在一起，可同时带动传动机构驱动汽车；混联型HEV功率变换器同时通过电和机械的方式与引擎耦合在一起。
以大功率HEV为例，典型混联型电力驱动系统的电路结构如图2所示，由储能电池、双向DC-DC变换器、逆变器/变流器、电动机、发电机、控制电路和电感电容组成。
其中，双向DC-DC变换器将储能电池的电压泵升到逆变器所需的高压直流；逆变器/变流器将直流电压转换成驱动电机的三相交流电；发电机与燃油发动机相连。其较为理想的工作状态是：启动和低速时，燃油发动机关闭，电池向电动机供电并驱动汽车行驶；爬坡和加速时，燃油发动机和电动机可同时工作；减速和制动时，电动机和发电机均可进行再生制动，向电池充电，能量得到回收。
实际上，现在的大功率电力电子设备无论是成本、体积，还是功率密度，都不是很适应汽车工业的需求。因为传统的大功率电力电子设备主要面向一般工业和可再生能源领域，在性能上要求没有汽车行业这么苛刻。对于新一代大功率电动汽车，其电力驱动系统需从传统工业级进入到真正的汽车工业级。为此，美国能源局制定了2020年HEV的发展目标：电力电子设备的功率密度超过14.1kW/kg，体积小于13.4kW/L，效率超过98%，价格低于3.3$/kW。
这个发展目标对电力电子器件和拓扑性能、控制策略、系统集成以及封装都提出了新的要求和挑战。
1、碳化硅器件的特性
由于硅基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限，研究人员早在19世纪80年代就把目光转向宽禁带半导体器件，如碳化硅(silicon carbide，SiC)、氮化镓(GalliumNitride，GaN)等。宽禁带功率半导体器件与传统Si基功率半导体器件相比较，其材料特性主要表现在：宽能带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等。如图3所示。拥有这些特性，使SiC功率半导体器件具有如下Si基器件无可比拟的电气性能：
1、耐压高。
临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐压能力(10倍于Si)。
2、散热容易。
由于SiC材料的热导率较高(3倍于Si)，散热更容易，器件可工作在更高的环境温度下。有报导，SiC肖特基二极管在361℃的工作结温下正常工作超过1小时。
3、导通损耗和开关损耗低。
SiC材料具有两倍于Si的电子饱和速度，使得SiC器件具有极低的导通电阻(1/100于Si)，导通损耗低；SiC材料具有3倍于Si的禁带宽度，泄漏电流比Si器件减少了几个数量级，从而可以减少功率器件的功率损耗；关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可大大提高实际应用的开关频率(10倍于Si)。
SiC功率器件这些性能，可以满足电力电子技术对高温、高功率、高压、高频及抗辐射等恶劣工作条件的新要求，是半导体材料领域最有前景的材料之一。
迄今为止，SiC功率开关器件主要类型有SiCSBDs(肖特基二极管)、SiCBJTs(双极型晶体管)、SiCJFETs(结型场效应管)、SiCMOSFETs(绝缘栅型场效应管)和SiCIGBTs(绝缘栅双极晶体管)，其中，SiCSBDs、SiCMOSFETs和SiCJFETs最具市场竞争力，SiC SBDs由于具有较小的反向恢复电流和成本适中，已经在部分电动汽车变换器中得到了应用。
2、碳化硅器件的发展历史
从SiC器件出现至今，这种宽禁带半导体器件已经发展了20年，开始逐步进入市场并被工程技术人员认可。1992年，美国北卡州立大学就在全世界首次成功研制阻断电压400V的6H-SiCSBDs，2001年Infineon生产出全球第一款SiCSBDs，现已开始商业化还有Cree、Microsemi、Rohm等公司产品。1993年，首次出现了SiCMOSFETs的报导，到2010年，已经陆续有SiC功率开关管器件的系列产品成功量产。2011年初Cree公司终于将4H-SiCMOSFETs器件(1200V/80mΩ)推向市场，耐压等级分别为600V/1200V/1700V。接着，2012年3月Rohm公司正式推出了备受期待的全碳化硅功率模组，继而又正式将适用于工业装置的变流器的SiCMOSFETs模组(SiCMOSFETs+SiC SBDs，额定规格1200V/180A)投入量产，如图4所示。
国际市场调研机构IMSResearch报告显示，2015年会是SiC发展的一个拐点，SiC在功率器件上的应用会起到主导作用。未来的10年，这一市场份额将增长20倍，其中混合电动汽车、纯电动汽车是主要的驱动力，此外马达驱动、风能、太阳能等对SiC需求都会快速增长。
3、国内外的应用和研究现状
3.1碳化硅器件在电动汽车中应用
器件的每一步发展，都能带动电路变换技术的相应突破。SiC器件的这些卓越性能，使其成为HEV电力驱动装置中的理想器件，也必将为电动汽车的动力驱动系统带来革命性的改变。
1、首先，可显著减小散热器的体积和成本。理论上，SiC功率器件可在175℃结温下工作，因此散热器的体积可以显著减小。图5为采用SiCSBDs的小功率EV车载逆变器散热片体积和采用传统Si基半导体器件散热片体积的对比，可看出，采用SiC SBDs器件散热片的体积大大减小。对于主流的大功率HEV，一般包含两套水冷系统，一套是引擎冷却系统，冷却温度约105℃，另一套是电力电子设备的冷却系统，冷却温度约为70℃。如果采用SiC功率器件，由于其具有3倍于Si的导热能力，可以使器件工作于较高的环境温度中。长期以来，HEV设计者一直希望将两套水冷系统合二为一，其直接效益是大大降低了HEV驱动系统的成本。此外，SiC功率器件的高导热性也使风冷在未来的中、大功率电动汽车中成为可能。
2、其次，可以减小功率模块的体积。由于器件电流密度高(如Infineon产品可达700A/cm²)，在相同功率等级下,全SiC功率模块(SiCMOSFETs+SiCSBD)的封装尺寸显著小于SiIGBT功率模块，如图6所示。
再者，由于开关损耗的降低，SiC器件能工作于20kHz以上开关频率，将够显著减小无源器件的体积和成本。
3、最后，可以提高系统效率。与传统硅IGBT相比，SiC器件的导通电阻较小导通损耗下降；特别是SiCSBDs，具有较小的反向恢复电流，开关损耗大幅降低，如图7所示，驱动系统效率将显著提高。
此外，从器件损耗角度考虑，可以用额定电流低的器件代替额定电流高的器件，如采用电流120A的SiC模块替换额定电流200~400A的SiIGBTs模块。以上这些，都可以显著减小电力电子驱动系统的体积、重量和成本，提高功率密度，如图8所示。
2007年，在SiC半导体国际会议(nternational conferenceonsiliconcarbideandrelatedmaterials，ICSCRM)上，日本丰田公司明确表示，将在其新一代的混合动力汽车中采用基于SiC的器件的电路模块，现已应用在雷萨克斯“GS450h”HEV上。2008年，日产公司开发出了采用SiCSBDs的汽车逆变器，并将其配备在该公司的燃料电池电动汽车“X-TRAIL”上，减小了设备大小/重量的15-20%。在2008年的日本高新技术展展会上，东芝公司展示了由SiC-JBSs(一种具有更低导通压降的SiCSBD)和Si-IGBTs构成的“Hybrid-Pair”型4kVA三相逆变器，并利用该逆变器驱动电机使轮胎旋转进行了演示，如图9所示。
虽然它仅仅是将二极管换成SiC-JBSs(具有接合势垒型结构的SiC-SBDs)，但逆变器损耗却减少30%~40%。2008.9，罗姆(Rohm)公司为本田汽车研制了全SiC器件(包括SiCMOSFETs+SBDs)的逆变电路(1200V/230A)，采用80kHz开关频率，其开关损耗仅有SiIGBTs的1/4。2012.12，三菱电机日前开发出了采用SiC功率器件、输出功率为70kW级的电动汽车用动力系统，其中逆变器的功率损失比采用Si功率器件降低了一半。
3.2主要研究内容
目前SiC功率器件在电动汽车中的研究主要集中在以下几个方面：
1、器件模型。
深入理解器件在不同温度和偏置情况下的工作特性，准确描述器件的动、静态性能，能有助于增加电力电子电路设计的可靠性。SiC功率器件的建模主要有物理(解析)模型、等效电路模型和经验模型等。物理模型是从器件内部载流子运动过程的角度来分析器件特性，虽然模型准确，但运算量很大，不适合工程应用。对一个2kV的DIMOSFETs的模型进行了研究分析，该模型用50个模型参数和20个模型方程来描述SiC功率DIMOSFETs的稳态和动态特性，过程较为复杂和繁琐。提出了一种适用于10kVSiC MOSFETs的实验参数建模方法，建立了SiCMOSFETs的SPICE模型，如图10所示。
这种建模方法的优势是：需要的参数不多，且这些参数都能通过实验测量或查数据手册后，经过简单的计算获得。但这种模型受实验条件和电路参数影响较大，精度不高，且未考虑温度特性。提出了一种基于PSpice的适用于10kVSiCMOSFETs的变温度参数建模方法。文献[27]在此基础上，提出了考虑低温特性和关断负压影响的PSpice模型。该模型中引入温控电压源和温控电流源以补偿SiC MOSFETs静态特性随温度的变化，同时着重考虑了SiCMOSFETs的低温特性和驱动电路负压的影响。2012年底，两大SiC芯片生产厂商Cree和Rohm，先后在网站上挂出了其SiC产品的SPICE模型，供广大使用者下载和评测。
2、性能研究。
目前，许多研究都致力于通过仿真和实验分析SiC在损耗、动态特性以及高温等方面给变换器带来的性能改善。建立了SiC MOSFETs损耗的数学模型，采用汽车专用仿真软件ADVISOR分析了EV逆变器的损耗和效率，指出较采用SiIGBTs而言，在FUDSCycle(Federal UrbanDrivingSchedulecycle)运行条件下(非额定功率)，三相逆变器的效率从80%~85%提高到90%~ 95%。分析了影响SiCJEFTs结温的主要因素，以及不同工作电流对结温的影响。搭建了一台30kW的HEV逆变电路，在环境温度120℃和设定的最优结温下，系统的效率达到了97.8%，功率密度达到了51kW/L。研究了一台采用SiC JEFTs的18kW风冷逆变器，在环境温度200℃情况下，最大效率超过了98.2%。文献[32]提出了一种根据电路时序图，采用芯片数据手册参数就能计算的一种简化的损耗分析方法，但准确度有限。研究了1200V/100ASiCMOSFETs的开关特性，如图11所示，指出这种开关高频振荡是由于环路电感和开关管的寄生电容发生谐振引起的。
3、新型逆变器拓扑的研究。
在传统HEV变换器拓扑中，使用两套逆变器/变换器来控制电动机和发电机与储能电池间的能量流动，系统成本高、体积大。2007年，Kominami提出了一种新颖的9开关变换器，如图12所示。
变换器由9个开关3个桥臂就可以同时完成电源和两个负载间的能量传递，能够显著减小系统的体积和成本，因此非常适合于批量生产的HEV电力电子系统。但是，9开关变换器的使用中有一定的约束条件，即两个逆变/整流器调制指数之和小于1，逆变器输出电压不能高于整流输出电压，且整流的瞬时值总是高于逆变的瞬时值。为解决这个问题，提出了由9开关变换器和Z源网络构成的新型拓扑，如图13所示。
在这个拓扑中，DC-DC变换器被双向Z源网络取代，采用空间矢量控制，能够实现能量的双向流动。遗憾的是，这种HEV变换器拓扑的效率不高，因此，采用宽禁带半导体器件实现Z源+9开关拓扑，可能是未来一个有效的解决手段。众所周知，每一次功率变换器的拓扑结构变革都与器件的更新换代息息相关，第3代半导体器件的出现可能促使电动汽车变换器新一代拓扑结构的诞生。
研究了寄生电感对SiCSBDs性能的影响，指出由于寄生电感、结电容、串联阻尼电阻的存在，器件输出存在明显的RLC振荡，并给出了阻尼振荡的解析表达式。则对SiCMOSFETs应用中存在的高频振荡现象进行了专门的描述，并指出这种高频振荡现象将降低电路的输出特性及电磁兼容性。
4、门极驱动电路设计。
设计优良的门极驱动电路能够有利于功率器件获得出众的性能。其一，门极驱动电路快速地注入/释放门极电荷的能力对开关器件的转换时间有着很大的影响；其二，门极驱动电路设计时也应使器件保持稳定的直流门极电压和门极电流，从而可以使器件的导通电阻RDS(ON)最小。SiCMOSFETs由于是电压控制性器件，其驱动电路相对比较简单，类似于SiMOSFETs。为了进一步的减小开关损耗，一般要求SiCMOSFETs驱动电路具有较高的峰值驱动电流。
此外，由于SiCMOSFETs的门极寄生电容很小，容易形成高频振荡，如何优化地选取驱动电阻的阻值，使驱动电路既能合理抑制高频振荡，又能获得最大效率是研究人员需要考虑的一个重要问题。
对于电流控制型器件，如SiCBJTs、SiCJFETs等，其驱动电路则有较大不同，且器件开关行为尚未完全理解。提出了带加速电容的双电源SiCBJTs驱动电路，解决了BJT基极电流大损耗高的问题。设计了一个常闭SiCJFETs驱动电路，如图14所示，研究了驱动电路对器件开关行为的影响，指出小的加速电容能显著提高开关速度。也设计了能够降低开关损耗、减小振铃现象的SiCJFETs特性的门极驱动电路。而对于常开型SiCJFETs，需要负电压关断且所需驱动功率较大，将增加驱动电路的复杂性。
3.3存在的问题
尽管碳化硅功率器件在电动汽车驱动系统的使用中具有显著的优势和广泛的应用前景，但仍有以下问题需要解决：
1、电磁兼容性问题。
电动汽车电力电子装置是电动汽车的最主要的电磁干扰源也是重要的传播途径，显然，高的开关频率会加剧电动汽车的电磁干扰。电动汽车内有大量噪声敏感的电子设备，不良的电磁兼容设计往往对其他车载电子设备的造成干扰甚至是误操作，给汽车留下较大的安全隐患。此外，高频高压工作下的开关器件还会引起的剧烈的du/dt和di/dt。du/dt将影响电机绝缘的可靠性；di/dt将进一步恶化器件的工作条件，并产生更强的辐射电磁干扰。因此，对SiC器件引起的电磁干扰的产生机理和抑制方法上进行深入研究，才能有效提高电动汽车的电磁兼容性能。
2、高频磁性元件设计问题。
碳化硅器件的使用可以提高变换器的开关频率、缩小磁性元件体积，但高频化下的磁性元件有许多基本问题要研究。
①提高开关频率后，电抗器的磁性材料的铁损会增大，导致电力变换器效率降低，必须使用新的磁性材料和绕制工艺。如安川电机在其输出功率为45kW变换器的电感中使用了称为“Liqualloy”的非晶合金新磁性材料，该材料的特点是拥有与电磁钢板相当的高饱和磁通密度，而且高频成分的损耗小；
②由于开关频率的提高，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对电路某些性能(磁元件的漏感和分布电容等)产生重要影响。高频磁技术理论作为学科前沿问题，如磁心损耗的数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频磁元件的计算机仿真建模等，需要受到人们的广泛重视。
3、先进封装技术。
电动汽车环境温度较高，功率模块及其辅助电路需满足高可靠性、耐热性以及电气坚固性等需求。因此需要先进封装技术改善散热条件、降低寄生参数、提高功率模块的电气坚固性和可靠性。电力电子研究人员一直在努力寻找新型大电流高功率密度封装结构和互连方法，以替代目前的平面封装结构和引线键合工艺，彻底消除它们带来的各种问题。无引线键合的顶部功率连接，最小引线键合，动态匹配和芯片双面散热等工艺需要进一步研究。近年来，新的封装技术，如英飞凌的扩散焊接工艺，赛米控的完全无焊接的弹簧压接技术以及烧结技术等，可能成为未来宽禁带电力电子器件的主流封装工艺。
4、结论
宽禁带半导体SiC功率器件具有高导热率、高临界电场、低导通电阻等优越性能，能有效提高电力电子变换器的效率和功率密度，被认为是替代Si基半导体器件的最好材料，在电动汽车和混合电动汽车中具有广泛的应用前景。本文主要介绍了碳化硅功率半导体器件的发展和碳化硅功率半导体器件在电动汽车中的研究和应用现状，最后分析了碳化硅电动汽车电力驱动系统亟须解决的主要问题。
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