SiC扎根汽车领域

UnitedSiC工程副总裁Anup Bhalla

由于具备的多种属性，碳化硅（SiC）成为了电动车（EV）领域中重要的半导体技术，碳化硅器件的性能胜过传统硅（Si）器件。它的优势包括提高了电压额定值、功率转换效率出众和能处理更高温度。

车载充电器（OBC）、直流转换器和牵引逆变器都因SiC而受益，持续的发展和结构增强必定能让SiC现有的强大吸引力进一步提升。这些增强能扩大SiC这种宽带隙材料的运行参数的范围，进一步降低功耗。与此同时，大量生产带来的规模经济效应则意味着SiC将达到更具吸引力的价位。

SiC在电动车中的使用

下面非常简要地介绍了现在影响电动车领域的部分动态。每个动态都应该予以适当考虑。

需要更短的充电周期 – 为此，电动车设计团队正在设法部署能在更高电压下工作的车载充电器。能容纳这些高压的SiC器件被引入了该领域。常用的650V额定电压器件并不总是能满足要求，需要额定值更高的半导体才能承载更高的电池电压。同时，使用额定值900V或1200V的器件会带来不合理的成本增加。最好有某些解决方案能带来一定程度的电压升高，但又不会造成费用过高。

需要支持更高的运行频率 – 要加快开关速度，必须尽量减小开关损耗。否则，能效就会降低，热管理机制就需要更多空间，而这会导致整体体积、重量和成本增加，从而出现想要避免的结果。

显著降低运行损耗 – 这样可以延长电动车的单次充电行驶里程。这一做法对降低电动车电池体积也同样有效。这两种结果都会引起车辆制造商的兴趣。

成本考量 – 加速内燃机车辆向电动车过渡的另一个重要因素是制造商能否降低消费者购车的投资。若要降低价格，则必须限制各种零部件的成本，而逆变器在总成本中占据不小的比例。

事实证明，认识到这些动态的本质以及找到可行解决方案的紧迫性在推动UnitedSiC开发第四代SiC技术方面十分关键。表1中列出了其他供应商提供的SiC技术的规格改进。该表将新的额定值750V的UJ4C075018K4S SiC FET与三个替换650V SiC MOSFET以及基于硅的超结FET器件进行了对比。即使第四代SiC FET具备明显较高的额定电压，该技术的单位面积导通电阻也比其他SiC MOSFET好两到三倍，比Si FET选项好一个数量级。这意味着可以用外形小得多的封装实现类似性能。

表1：第四代UnitedSiC 4 SiC指标如何从竞争中胜出

能实现超低的单位面积导通电阻的原因是SiC FET中集成了高密度沟槽SiC JFET结构。它与低压Si MOSFET一起封装。SiC JFET的面积较小意味着，在给定芯片体积下，导通电阻会极为低（图1）。反过来，也可采用电容较低的较小FET，同时将导通电阻控制在可接受的范围内。

图1：额定值750V的第四代UnitedSiC SiC FET与竞争的650V额定值FET的单位面积导通电阻比较

为了降低电阻和热阻值并限制相关损耗，SiC基片被大幅减薄。为了维持结构完整性，减薄后的基片通过银（Ag）烧结材料粘接到铜（Cu）引脚框架上，银烧结材料的导热系数比标准焊料好六倍。

第四代UnitedSiC SiC技术带来的其他优点包括大幅降低相关的栅极驱动损耗，如将其与其他器件进行比较的表4所示。这表示开关速度可以提高三倍，而不会有任何栅极驱动集成电路过热风险。该技术不需要负压栅极驱动。由于正向压降（VFSD）低且反向恢复电荷（QRR）极小，VF.QRR性能表征（FoM）非常好。当今市场上任何器件所能提供的性能都无法与之相比。

SiC已经让电动车传动系和电池系统变得更加高效，从而达到远超硅半导体技术藩篱的性能基准。新一代SiC技术的到来将进一步证实自身对电动车未来几年在全球普及的价值。