碳化硅（SiC）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）在新能源汽车领域各有优势。SiC因其宽禁带特性，提供了更高的功率密度、效率和工作温度，有助于减小动力总成尺寸、降低系统成本，并提高续航里程。尽管SiC成本较高，但其系统级优势可抵消这一劣势。在主逆变器、车载充电器（OBC）和DC-DC转换器等关键应用中，SiC展现出显著的性能提升。例如，戴姆勒与英飞凌的合作研究显示，使用SiC的逆变器在能耗和系统成本上均有显著降低。此外，SiC在燃料电池电动汽车的DC-DC转换器中也显示出提高效率和功率密度的潜力。英飞凌提供的SiC产品，如CoolSiC™ MOSFET，为新能源汽车提供了高效、可靠的解决方案。
引言：目前的市场上，SiC和IGBT仍然是各有风骚，本文详细分析了它们的技术差异，以及在主逆变器，OBC以及DC-DC转换器中使用SiC所带来的优势。
碳化硅推动着电动汽车进一步发展，使其具有更低的成本、更长的续航里程、更宽敞的设计以及更高的功率密度等。与标准内燃机相比，电动汽车无需油箱和发动机，因而可开发更多差异化设计从而更有效地利用车内空间，让乘坐体验更舒适。然而，由于车型限制、充电时间长、快速充电基础设施不足以及价格高昂等原因，纯电动汽车在全球新车销售的市场份额仍然很低。
材料和零部件成本高是纯电动汽车价格高昂的主要原因。如将电动动力总成定义为由电池、电机和逆变器组成，那么动力总成约占纯电动汽车总成本的50%。在动力总成方面，电池成本占比超过60%。也就是说，电池成本占整车成本的35%以上。
增加电动动力总成的功率密度是降低成本的一种方法。美国能源部制定到2025年将高压电力电子设备的功率密度提高7倍的目标。然而，由于安装空间有限，尤其是对高性能的汽车而言，高功率密度更是必需的。因为增加功率密度可以减小动力总成部件的尺寸，从而进一步优化车辆内部空间。
目前，采用硅IGBT技术的功率模块在电动汽车应用中占主导地位。然而，经过数十年的发展，硅基功率器件正在接近材料极限。因此，要进一步提高其功率密度非常困难。
因此，半导体行业一直在开发宽禁带功率器件，例如碳化硅MOSFET。美国能源部制定的功率密度目标正是基于宽禁带功率器件的利用。
宽禁带功率器件比硅器件更昂贵，但因其功率组件的尺寸和重量减小，特别是在相同里程范围内可节省电池容量，因此能够降低整体动力总成成本。
SiC和Si技术特点差异分析
碳化硅已成为功率器件中硅的替代材料。宽禁带、更高的击穿电场、提高的热导率以及更高的工作温度是碳化硅的4大关键优势：
由于较高的击穿电场，碳化硅器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度。因此，与相同击穿电压的硅器件相比，它们具有更低的电阻。
碳化硅可用于设计单极器件，例如高压MOSFET，理论上不产生尾电流。因此，相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET有更低的开关损耗和更高性能的体二极管，从而实现更快的开关频率。
碳化硅器件可以在更高的温度下运行，可达到200℃或更高。然而，封装技术限制了最高工作温度。为了使碳化硅运行在高温度，许多新封装技术正在开发中。
碳化硅器件的芯片面积更小，产生的栅极电荷和电容也更小，可以实现更高的开关速度，降低开关损耗。
碳化硅MOSFET可以在高开关频率下工作，使磁性元器件更小，且功率损耗更低。低功率损耗与高工作温度和高热导率相结合，降低了冷却需求，从而使得冷却系统更小。在功率转换器应用中，高开关频率还可以减少输出电容器。
由于高击穿电压，在高压应用中(例如，高于600V)使用碳化硅MOSFET可以采用简化的拓扑，而硅IGBT因为其击穿电压通常在650V至750V的范围内，所选取的拓扑则不尽相同。简化的拓扑结构需要更少的组件，即更少的电源开关和栅极驱动器，以及在控制算法方面更少的设计工作量。
单个碳化硅功率器件比硅等效器件成本更高，但使用碳化硅器件能够节省系统成本，因为需要更少的组件、更小的无源组件尺寸、更小的冷却系统、相同里程范围内的更小的电池容量以及更少的设计开发工作量。
SiC在主逆变器、OBC、DC-DC的应用
如上所述，碳化硅功率器件在功率密度、效率和冷却工作方面具有显着的系统优势，因为与硅IGBT相比，它们的损耗更低。在主逆变器、车载充电器(OBC)和DC-DC转换器这些应用中，碳化硅的优势尤为明显。
主逆变器不仅驱动电机，还用于再生制动并将能量回馈给电池。这意味着主逆变器确保了电池和电机之间的双向能量传输。车载充电器是交流到直流电源转换器，用于给电池充电。DC-DC转换器将能量从一个电压等级传输到另一个电压等级。
下图显示了一种DC-DC转换器(高压到低压)，它将高压电池的能量转换为低压的能量，为低压电池充电并给12V电子系统供电。在其它电动车辆中，例如基于燃料电池的车辆，还有其他类型的DC-DC转换器。
碳化硅为主逆变器应用带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。车载充电器和DC-DC转换器都是电源应用，碳化硅为它们提供更高的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。
戴姆勒与英飞凌合作开展了碳化硅在主逆变器系统中的优势研究。该项研究采用了英飞凌车规级功率模块HybridPACK™Drive的封装形式，一款是基于750VEDT2IGBT的技术，另外一款则采用了1200VCoolSiC™碳化硅MOSFET技术。
能耗的比较是集中在400V和800V的240千瓦电动SUV上利用WLTP循环来进行的。
研究表明：在相同的行驶条件、行驶里程下，在配备了1200VSICMOSFET的400V系统中，逆变器的能耗降低了63%，从而在WLTP驱动循环中节能6.9%。
在配备了1200VSICMOSFET的800V系统中，逆变器能耗降低69%，整车能耗降低7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估，因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。
那么，在成本方面碳化硅的使用又带来哪些益处呢？碳化硅逆变器比硅等效物更昂贵。然而，根据前述能耗的降低，车辆系统效率提高，因此需要更少的电池容量。由于电池成本节省超过了碳化硅增加的成本，因此可节省高达6%的系统成本。
车载充电器通常具有两个单元：AC-DC升压拓扑“功率因数校正”(PFC)单元，然后是隔离式DC-DC单元。PFC可以通过多种拓扑结构实现，例如经典升压和图腾柱。与经典升压拓扑相比，图腾柱PFC表现出更高的功率密度和效率，因为它具有无桥PFC，大大减少了二极管的数量。
英飞凌也研究了碳化硅在PFC单元的益处。研究的器件是基于硅的650VTRENCHSTOPTMF5IGBT和基于碳化硅的1200VCoolSiC™MOSFET。
TRENCHSTOPTMF5IGBT的更多信息，尽在英飞凌官网，请点击以下链接了解更多：
TRENCHSTOP™5F5-InfineonTechnologies
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碳化硅CoolSiC™MOSFET-InfineonTechnologies
在400V输出的3.3千瓦图腾柱PFC上进行了功率损耗的比较。使用1200V的碳化硅MOSFET，功耗降低了52%。然而，1200V碳化硅器件的功耗仍被低估，因为应该与650V碳化硅器件进行公平的比较。与1200V等效器件相比，650V碳化硅器件具有更低的电阻和更低的传导损耗。在任何情况下，碳化硅MOSFET都可以实现更高的效率。
纯电动汽车中的高压到低压DC-DC转换器通常可转换高达3千瓦的功率，并且需要高效率。高压电池和低压系统之间必须隔离。由于其高效率，隔离式谐振转换器是一个很好的应用。
DC-DC转换器大部分时间都在部分负载下工作。例如10%到20%的负载，这使得部分负载的效率成为关键。
英飞凌高性能硅基CoolMOS™CFD7超级结MOSFET实现了良好的效率。使用新一代CoolSiC™技术可以进一步提高效率，尤其是在部分负载下工作。
以氢为能源的燃料电池电动汽车是另一种具有巨大市场潜力的汽车。在燃料电池电动汽车中有两种类型的高压DC-DC转换器应用。
在典型的燃料电池系统中，有一个DC-DC升压转换器，用于将燃料电池堆的电压升压以向逆变器系统供电。另一个DC-DC双向转换器将电池能量输送到逆变器系统，同时也利用电机的再生能量为电池充电。此外，燃料电池汽车具有与其它电动汽车类似规格的逆变器系统。
通过使用碳化硅功率器件，可以提高DC-DC转换器以及逆变器系统的功率密度和效率。最终客户将受益于更少的氢消耗，因为现在氢的价格仍然很高，或者，使用同样数量的氢，汽车可以达到更长的续航里程。
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