SiCMOSFET在电动汽车领域的应用王东萃

技术导向SiCMOSFET在电动汽车领域的应用王东萃崔宇航于雷(上海捷能汽车技术有限公司，上海201804)【摘要】在电动汽车领域，整车续航对客户的体验至关重要。随着SiCMOSFET技术的发展，越来越多的电驱系统零部件供应商开始应用SiCMOSFET功率器件，以提升整车续航能力。文章在分析了SiC材料特性的基础上，采用英飞凌的SiCMOSFET模块，开发了一套300kW的车用逆变器，通过与相同平台下的IGBT模块进行对比测试，证明了其在效率和整车续航方面有着巨大优势。同时，在开发的过程中也发现了SiCMOSFET在电气性能上存在电流和电压震荡现象，这会使得SiCMOSFET在EMC和应用方面面临一定的挑战。T【关键词】SiCMOSFET电机控制器续航里程电动汽车在电动汽车领域，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。SiCMOSFET属于第三代宽禁带功率半导体，目前各大半导体厂商包含国产功率模块厂商，都相比于以Si材料为主的第二代功率半导体，SiC(1)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，的温度更高，一般而言，SiC器件所能达到的最大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。·36·08技术导向图1SiC材料与Si材料性能对比穿场强是Si材料的10倍多，因此SiC器件的阻断电压比Si器件高很多。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。(4)开关速度快。SiC的热导系数几乎是SiSiC器件能在更高的频率下工作。有着更低的导通损耗、更高的工作频率和更高的工作电压。随着新能源汽车的发展，对于电驱动系统而言，更高的效率、更高的工作电压和更高的驱动系统最重要的发展方向之一[3]。场上的应用并未普及，其主要原因在于SiCMOS-FET现阶段的成本依然较高。在2021年量产的成熟的SiC底材生成能力的供应商都被国际半导STEL等，国外半导体厂商掌握着SiC底材的定价底材生成、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。SiCMOSFET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[4]，预计，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。图2SiC产业链主要公司信息SiCMOSFET应用的优势与挑战SiCMOSFET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ve图3)，对SiCMOSFET应用的优势和挑战进行详细阐述。2.1SiCMOSFET逆变器FS03MR12A6MA1B是英飞凌公司的新一代损耗和导通电阻，模块的杂散电感小于10nH，可V平台下的SiCMOSFET逆变器，能够实现峰值电08·37·技术导向优化了电源系统、保护电路、寄生电感等部分，如0Arms下的电流波形和热成像结果。2.2SiC应用的优势ArmsBTFS开关特性对比工况型号VA电流的工损耗下降了32.6%。两种工况下关断损耗的下降为了更加直观地比较两种功率器件对车辆续续航的效率和续航里程仿真。仿真结果如表2所综合续航提升了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80kW·h电池·38·08技术导向包的纯电动车辆，使用SiC器件就相当于节约了6.88kW·h的电池，或者在使用同样电池的情况表2800V平台SiCMOSFET(FS03)和SiIGBT(FS380)续航仿真结果对比某B级后驱车方案方案2.3SiC应用的挑战SiCMOSFET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(b)为关断电压振荡，(c)为二极管振荡电压，其尖峰控制到了856V。从这3幅图可以明显地看出SiCMOSFET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。(a)开通电流振荡(b)关断电压振荡(c)二极管振荡电压图6SiCMOSFET模块开关电流和电压振荡曲线3结语FET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IG-时SiCMOSFET将迎来大规模的应用。一套300kW的车用逆变器，与相同平台下的IG-BT模块进行了对比测试，证明了其在效率和整车续航方面有着巨大优势。同时，在开发过程中也发现了SiC在电气性能上存在着电流和电压震荡现象，这会使得SiCMOSFET在EMC和应用方