SiC如何助力电动汽车续航里程延长5%？

时间： 2023-10-24 来源：鲁晶微信公众号

技术问答

不断增长的消费需求、持续提高的环保意识/环境法规约束，以及越来越丰富的可选方案，都在推动着人们选用电动汽车（EV），这令电动汽车日益普及。高盛研究公司近期发布的一项研究显示，到2023年，电动汽车销量将占全球汽车销量的 10%；到2030年，这一数据预计将增长至 30%；到2035年，电动汽车销量将有可能占全球汽车销量的一半。

然而，“里程焦虑”，也就是担心充一次电后行驶里程不够长，则是影响电动汽车普及的主要障碍之一。克服这一挑战的关键是在不显著增加成本的情况下延长车辆行驶里程。本文阐述了如何在主驱逆变器中使用碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）将电动汽车的续航里程延长多达 5%。另外，文中还讨论了为什么一些原始设备制造商（OEM）不愿意从硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）过渡到 SiC 器件，以及供应链上的企业为缓解 OEM 的担忧同时提升 OEM 对这种成熟的宽禁带半导体技术的信心所做的努力。

图 1

汽车主驱逆变器设计趋势

电动汽车中的主驱（主）逆变器将直流电池电压转换为交流电压，从而满足电动牵引电机对交流电压的需求，令其能够顺利驱动车辆。

主驱逆变器设计的最新趋势包括

● 增加功率：逆变器的功率输出越大，车辆加速越快，对驾驶员的响应也越快。

● 效率最大化：最大限度地减少逆变器消耗的电量，以增加用来驱动车辆的功率。

● 提高电压：直到最近，400V 电池一直都是电动汽车中最常见的规格，但汽车行业正在向 800V 发展，以减小电流、电缆厚度和重量。为此，电动汽车中的主驱逆变器必须能够处理这种更高的电压并使用合适的组件。

● 减轻重量和尺寸：与硅基 IGBT 相比，SiC 具有更高的功率密度（kW/kg）。更高的功率密度有助于减小系统尺寸（kW/L），减轻主驱逆变器的重量，同时减少电机的负载。车辆重量降低有助于在使用相同电池的情况下延长车辆的行驶里程，同时减小传动系统的体积，增加乘员和后备箱的可用空间。

图 2 电动汽车主驱逆变器设计的最新趋势

SiC 相对于硅的优势

与硅相比，碳化硅在材料特性方面具有多种优势，因而成为主驱逆变器设计的更优选择。首先是它的物理硬度，达到了 9.5 莫氏硬度，而硅为 6.5 莫氏硬度，所以碳化硅更适合高压烧结并具有更高的机械完整性。再者，碳化硅的热导率（4.9W/cm.K）是硅（1.15W/cm.K）的四倍多，这意味着它可以更有效地传递热量从而在更高温度下可靠运行。最后，碳化硅的击穿电压（2500kV/cm）是硅（300kV/cm）的8倍多，而且它具有宽带隙性质，能够更快地导通和关断，因而成为电动汽车日益升高的电压（800V）架构的更优选择，同时更宽的带隙电压意味着它的损耗比硅更低。

图 3 安森美的 SiC 封装具有出色的低热阻

尽管 SiC 具有明显的优势，但一些汽车 OEM 厂商还是迟迟不肯放弃更传统的硅基开关器件，例如用于主驱逆变器的 IGBT。OEM 厂商不愿采用 SiC 的原因包括：
● 认为SiC是一种尚未成熟的技术
● 觉得SiC难以实施
● 以为SiC没有适合主驱应用的封装
● 认为SiC的供应不如硅基器件便利
● 觉得SiC比IGBT更贵

那么，如何使 OEM 更有信心在电动汽车主驱逆变器中使用SiC呢？

提升 OEM 信心的第一步是展示在主驱逆变器设计中使用 SiC 可实现的明显性能优势。笔者使用电路设计软件对安森美的 NVXR17S90M2SPB（1.7mΩ Rdson）和 NVXR22S90M2SPB（2.2mΩ Rdson）EliteSiC Power 900V 六组功率模块进行了仿真，并将其性能与 820A VE-Trac Direct IGBT（同样来自安森美）进行了比较。

主驱逆变器设计的仿真结果表明

● 对于 10KHz 开关频率下 450V 直流母线电压和 550Arms 功率传输，在相同散热条件下，SiC模块的Tvj（结温）（111°C）比 IGBT（142°C）低 21%。

● 与 IGBT 相比，NVXR17S90M2SPB 的平均开关损耗降低了 34.5%，NVXR22S90M2SPB 的平均开关损耗则降低了 16.3%。

● 与基于IGBT的设计相比，使用 NVXR17S90M2SPB 实施的全主驱逆变器设计的总体损耗降低了 40% 以上，使用 NVXR22S90M2SPB 时功率损耗则降低了 25%。

虽然这些改进针对的是主驱逆变器，但它们可以使电动汽车整体能效提高 5%，从而使续航里程延长 5%。例如，配备 100kW 电池、续航里程为500 公里的电动汽车，如果使用基于安森美 EliteSiC 功率模块的主驱逆变器，那么它的行驶里程则可达 525 公里。值得注意的是，在此类主驱逆变器中使用SiC的成本也将比硅 IGBT 低 5%。

此外，在尺寸相近的情况下，需要证明 SiC 比 IGBT 提供更高的功率传输。对于考虑放弃 IGBT 的 OEM 而言，安森美提供了具有类似尺寸的 SiC 模块，不但便于集成，而且还简化了实施过程，无需对制造流程进行任何更改。此外，SiC 模块还具有在相同结温下提供更高功率的额外优势。例如，NVXR17S90M2SPB 可提供 760Arms，而 IGBT（Tvj =150°C）只能提供 590Arms，前者比后者增加了 29% 的功率。此外，安森美将 SiC 芯片烧结在直接键合铜板上，使器件结点和冷却剂之间的热阻降低多达 20%（Rth 结点到流体=0.08ºC/W）。

采用先进互连技术的压铸模封装进一步提高了 SiC 模块的高功率密度，并且具有低杂散电感（对于高速开关效率非常重要），而且更高的开关频率有助于减小系统中一些无源组件的尺寸和重量。此外，这种封装类型具有多种工作温度选项（最高达 200°C），可降低 OEM 的散热要求，并有望采用更小的泵进行热管理。

除了主驱逆变器之外，还可以在更广泛的架构中改用 SiC。随着电动汽车电池电压的增加，汽车制造商可以在维持相同功率输出的情况下减小电流。从系统层面而言，这意味着汽车中的电缆将变得更细。转向SiC将变得越来越合理，因为 SiC 器件产生的热量比硅基器件更少，可实现更高的功率密度，不仅是在主驱逆变器中，而且在更广泛的电动汽车架构中也能发挥巨大作用。

发送到邮箱 |
+1 赞 0
收藏
评论 0
| 转发至：

本文由三年不鸣转载自鲁晶微信公众号，原文标题为:科普SiC如何助力电动汽车续航里程延长5%，本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的，且明确注明来源，不希望被转载的媒体或个人可与我们联系，我们将立即进行删除处理。

全部评论（0）

暂无评论

功率器件国产化率仅为 22%，汽车和工业领域的需求旺盛

功率半导体器件，也称为电力电子器件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。新能源汽车是功率器件增量需求主要来源。国产替代需求强烈。功率器件国产化率仅为 22%，高端产品国产化率更低。要重视国内厂商的产品品类从低端向高端切换，产品下游应用领域优化以及晶圆产线的升级节奏。

行业资讯发布时间 : 2024-06-28

碳化硅：第三代半导体材料的性能优势与应用前景

经过第一代硅基半导体、第二代的砷化镓半导体，半导体材料发展已经来到了属于碳化硅、氮化镓的第三代。碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料，碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。

行业资讯发布时间 : 2024-11-11

一篇文章综述中国碳化硅（SiC）产业建设进展

第三代半导体材料为氮化镓GaN、碳化硅SiC、氧化锌ZnO、金刚石C等，其中碳化硅SiC、氮化镓GaN为主要代表。在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面碳化硅SiC、氮化镓GaN性能更出色。在5G通信、新能源汽车、光伏等领域头部企业逐步使用第三代半导体，瑞之辰等从业者认为成本下降有望实现全面替代。

行业资讯发布时间 : 2024-09-30

【技术】如何准确计算IGBT的驱动参数？

IGBT可靠的开通和关断是变频器稳定运行的核心。为了实现IGBT的通断，需要对IGBT的门极进行充电以达到门极开通电压Vge_on，以及对门极进行放电至门极关断电压Vge_off。因此，正确计算IGBT的驱动参数是保证其可靠通断的首要任务。

设计经验发布时间 : 2018-04-03

“最佳技术实践应用奖”——上海贝岭IGBT器件和线性LED驱动器等多款产品一一解析

近期，华大半导体旗下上海贝岭股份有限公司荣获2024第六届金辑奖“最佳技术实践应用奖”。本文介绍了上海贝岭多款产品的特点和应用，包括IGBT器件、线性LED驱动器、HPD模块、MOSFET和电能计量芯片。

产品发布时间 : 2024-11-15

楼氏洞察 | 探索电动汽车技术发展的最新趋势（上）：转向宽带隙半导体

本文将着眼于目前正在密切关注的影响电动汽车开发的三个关键趋势：包括半导体的发展变化、作为控制成本的车载系统集成以及电动汽车充电生态系统的演变。本文介绍转向宽带隙半导体趋势。

原厂动态发布时间 : 2024-07-25

中电国基南方（CETC）成立于1958年，为中国电子科技集团公司第五十五研究所，拥有国内唯一的“宽禁带半导体电力电子器件实验室”，已承担十余项SiC功率电子方面的国家科技重大专项课题，专利受理206项，其中发明专利159项， PCT 10项。中电国基南方（CETC）是国内最早建立4、6英寸SiC生产线的公司，容纳圆片能力10000片/年，公司通过了GB/T 19001、ISO9001等行业认证。

碳化硅场效应管碳化硅肖特基二极管

授权代理商 - 世强先进（深圳）科技股份有限公司线上商城技术资料

展开

电动汽车动力“心脏“IGBT全面解析：构成本质、原理、工作范围、关键特性、应用指南

本文将详细探讨IGBT的工作原理、结构特点、适用范围，以及与其他功率器件（如MOSFET和双极晶体管）的比较，并通过实际应用产品的分析，揭示IGBT在不同领域中的独特优势。

技术探讨发布时间 : 2024-11-12

MASPOWER(麦思浦)IGBT/MOSFET/FRD模块/AC-DC电源转换器/IC选型指南

描述- 公司专注于电压800V—4700V超高压MOSFET细分领域系列化开发，解决客户缺芯问题，主要服务工业电源，光伏储能，仪器仪表，医疗电源，国网电力电源等行业。

型号- ESTF75SS120US,MS18N20FD,ESTF80D40U,MS10N100FB,ESTF15SS60UD,MS24N80HCE0,ESTF15SS60UC,MS10N100FA,ESJ75SH120AN,ESTF8SS80RM,EST120BN40SN,MS8N100FS,MS9N120HGT0,MS8N100FT,ML0841DR,MS10N100FS,MSG100D350FH,ESTF15SS60UP,OP37,MSG50N350FH,MS7N80HGD0,MSG50N350HLC0,MSC393F1,74HC595,MS18N20FT,ESQ100QN60SN,LM324N,MS100N20HGC0,MS40N25HGE0,MS9N150H2,MS20P06FD,MS9N150H1,ESTF75D60FB,ESTF30SS12XI,ESTF10D20SR,MS20N100HGC1,ESTF15SS60SC,MS60N60HGB3,MS20N100HGC0,OP200,MS1N450HGC5,MS1N450HGC4,ESG100QN60SN,MSG25T120FQC,MS160N03FDT,ESTF80N60UB,EST60BN120SN,ESTF8SS195UP,MS7N80FCD,MS8N100FE,MS8N100FC,MS60N60HGC1,MS8N100FA,MSG50T65FQC,MS8N100FK,MSG40T65HHC0,MSG40T120FQC,MS4N1350,MS65N070DD1,UC2844AN,MS100N06HDD0,MS3N100HGB2,MS170N25HGF4,MSG100T65HLB3,MS12N165HGC0,MS210N085FTD,ESTF30SS20SI,OPA2277,OP90,MS60N350DD1,ESTF40D30U,OP77,MS10N100HGE0,MS3N100HGC0,MS20N85ICT1,ESD150PC120SN,MS7N120HGE0,MS20N85ICT0,OP497,ESTF60D20UE,MSG100T65HLC6,MS12N150HGC0,MS12N150HGC1,MS9N170HGC0,MSG100T65HLC1,MS9N170HGC1,MS40N65FCC,ESC150PC60S,MS12N100FT,MS3N100HGD1,MS3N100HGD0,MS12N100FS,ESTF8SS120C,ESTF8SS120D,MS12N100FE,MS24N50FB,MS5N100FD,MS5N100FE,MS15N165HGC0,ESTF8SS120P,MS12N100FC,MS12N100FA,ESD4204,ESTF8SS120S,MS4N120HGD0,MS10N100HGC0,UC3140BN,MS15N150HGC0,MS15N150HGC1,MS50N100HGF4,MSG100D350FHS,ESTF80D33U,MS3N100HGE0,MSG75D65HFC0,MS26P20HGC0,ESD200NC60K,ESG80QN60SN,UC3140BD,ESD150NC60K,MSG15T65FL,MSG75T65HHC0,ESB150NH60SN,MSG75C65HHC0,MSG15T65FLE,MS15N100HGC0,MS120N03IDD0,MS2N100HGT0,MSG160T65HLC1,ESTF45D60U,MSG15T65FLT,MS18N50FB,MSG50T120FQW,MS5N100FT,MS6N100FA,PWM1220YBN,MS35N120HGF4,MS15N100HGB2,MS100N20IDT0,ESTF60D33U,MS6N100FE,MSG30T65HHT1,MS6N100FC,MSG50D60HLE0,ESTF50SS135US,MS17N060FD,MS6N100FS,MS6N100FT,MS10N120HGC0,OP282,ESTF25D60U,MS8N120FT,MS8N120FS,MS120N08FT,ESC100NS120SN,MS3P03HDF3,MS5N170HGB2,ESTF100SS60S,MS12P060FT,ESTF100SS60U,ESJ100SH60N,ESQ150QN60SN,MS5N200HGC0,MSG75T65HFC0,MSG70T170HLB3,MSG75T65HFC6,ESTF30SS120U,LM3580DR,MS10N120HGE0,MS15N170HGC0,ESC100PC60SN,MS10N40HGT0,ESC100PS120SN,ESTU30Q60SN,MSC339F1,EST100BN120SN,MS90N25HDT0,MS8N120FE,MS8N120FC,ESTF30SS120C,MS150N25HGC0,ESD150PC60KN,MSG15T120HLC0,MS24N20FDT,MS4N1350W,ESTF60D33E,MS4N1350T,MS4N1350S,MS28N20HGT0,MSG80N350FQC,ESTF45H120UU,UC3525ADW,MS180N10FC,MS200N20IDC0,MC3846ADW,ESTF60D20U,ESTF60SS120US,MS4N250HGC0,MS24N20FDE,MS4N1350E,ESTF60SS40SS,ESJ100SH60AN,MS6N120FD,MS15N120HGC0,MS6N120FC,OP07C,MS9N150HGC0,MS4N350HGC0,MS15N120HGC1,MS6N120FT,MSG06T65FLD,MS6N120FS,ESTF25D20SB,MS6N120FE,MSG60T65HHC0,MS210N075FE,MS170N65HGF4,MS3N200HGC0,ESTF30SS60SE,MS30N90ICE0,ESTF20D20SB,MS2P06HDF0,UC2844,MSG50T120FHW,PWM820F,ESTF30SS60SC,MS9N150H,MS5N250HGC5,LF356,MC3846AN,ESTF30SS60SS,ESTF75D60U,MS50N20FC,MS9N120HGE0,MSG120T65HLC1,MC34063ADW,ICL7135MU,MSC431F1,MSG120T65HLC6,MSG120T120HLC1,ESB100NH60SN,ESD200PC60KN,AD620,MS20N65FCC,MS20N65FCE,AD623,MSG100T120FQW,MSG120T120HLB3,ESB150NH40SN,ESTF60SS160US,PWM834F,UC3845BD,PWM858F,MS9N20FD,MS8N80FS,MSG75T120FQC1,MSG20T120HLE0,MSG40T65HPC0,MS50N65FC,MS38N65FCC,MS33N10FT,MS65N065DD1,MSG80N350HLC0,MS12N120HJC0,MSK2225,MS40N25HGT0,ESTF75D60UC,MS30N95HGC0,MSG60T65HFC0,MS140N30HGB3,MSG200T65HLC1,ESD150NC60KN,ESD150NS60K,MS4N400HGC4,MS10N100HGT1,MS160N080FDT,MSG30T120FQC,LM3241DR,MS5HB06NB,ESTF20D30SU,UC3844AN,MS7N120HGT0,MS13N20HGD0,MS50N85IDC0,MS25N85ICE0,MSG50T65HHC0,MS3P02FBF,UC3845BN,MS20N85ICC0,MS100N20FC,MS2N3660,MS18N100HGC0,MS30N90ICC0,ESD200PS60SN,ESTF15SS120S,UC3843BD,MS4N120HGT0,MS170N15IDC0,MS3N100HGT1,MS3N100HGT0,ESTF60SS60US,MS120N10FE,ESD150NS60SN,ESTF80D60UB,MS140N30HGC0,MS1N470HGC0,ESC100NC60SN,MS1N470HGC5,MSG60T120FQW,MS120N10FT,OPA2604,ESD200NS60S,ESTF15SS120C,ESTF15SS120E,MS33N20HGC0,MSF18N65,MS2N100HGD0,MS60N06HGB0,MS30N100HGC0,MS340N07HGF4,MS30N100HGC1,MS290N10HDC0,MS10T60HLC0,MSG50N350FQC,MSG80N350FH,PWM815Y,MSG80N350FL,MSG100T65HLF4,MS100N20IDC0,MSG20T65FQC,ESF30SS120U,MSN4686,MSN4689,UC3525AN,MSN4688,MSG15T120FPE,MSG15T120FPC,MSG15T120HLT1,ESF30SS120C,MSG20T65FQS,MS1N400HGC0,ESC150NC60S,MS30N50HGC0,MS5N100,MS2N200HGC0,EST75BN60S,MSG80T65HHC0,MS37N90ICC0,MS30N06FD,MS53N065FDT,MSG120T65HLC1V,MS20N85FCS,MSG30T65FT,MSG30T65FS,MS8N90ICD0,MS15N100HGT0,MS15N100HGT1,MSG200T65HLB3,MS20N85FCC,MS50N06HDT0,ESB100NH40SN,MSG100T100FLN,MS170N15IDF4,MS25N50FB,MS100N04HDT0,MSG80N60FQC,MSF18P65,MSC75176F1,MS120N25HGC0,ESTF45H180UU,MS1N200HGC0,PWM1018YBN,MS2N450HGC0,ESD150PS60SN,ESA300BN60SN,MSG75T120FQW,ESD150NC120SN,MS2N300HGC0,MS120N15FB,MS90N25HDE0,MS120N15FE,MS2N470HGC5,MSG75T65FQC,MS3N06FF,MS5N170FC,ESTF15SS135UC,MS12N120HGC0,MS120N15FT,MS1N350HGC0,MS6N150HGC0,MS20N60FC,MS20N60FB,MSG40T65FL,MS10N120HGT1,MS12N170HGC0,MSG80D60FLC,OP27,MSG100T120FQC1,MS20N50FS,OP400,EST100BN60SN,MSG100T100FQW,MS6N150HGB2,MS5N100S,ESTF90D20XU,MSG30D120FLB,PWM825Y,MS12N170HGC1,ESJ100SH120AN,LM4558,EST75BN120S,OP2177C,ESTF8SS60UC,MS1N250HGC4,MSG30T65FQC,UC3844,ESTF90D20XB,MS1N250HGC0,ESTF10D60US,MS2P1230,MS200N04FE,ESTF100D60SU,MS18P10FE,PWM812Y,MS05N250HGE0,MS2N400HGC0,LM358P,ESTF75SS135US

选型指南 - MASPOWER - 2024/6/5 PDF 中文下载

IGBT应用在那些地方呢？

IGBT应用范围按照领域的不同主要可以分为三大类：消费类，工业类，汽车类。IGBT单管主要应用于小功率家用电器、分布式光伏逆变器；IGBT模块主要应用于大功率工业变频器、电焊机、新能源汽车（电机控制器、车载空调、充电桩）等领域；而IPM模块应用于变频空调、变频冰箱等白色家电产品。

应用方案发布时间 : 2024-04-25

【技术】IGBT及其IGBT模块是如何进行导通的？

本文slkor将介绍IGBT及其IGBT模块导通原理。其中IGBT是英文单词Insulated Gate Bipolar Transistor，它的中文意思是绝缘栅双极晶体管。IGBT是由BJT和MOS组成的复合全控制电压驱动功率半导体器件。IGBT模块是由IGBT和FWD通过特殊的电路桥封装而成的模块化半导体产品。

技术探讨发布时间 : 2022-01-16

MASPOWER（麦思浦） IGBT选型表

MASPOWER（麦思浦）提供如下IGBT的技术选型，VCE [V]范围：+330~+1200；IC [A]范围：+6~+160;VCE(sat) [V]范围：+1.15~+4.5；Tf [ns]范围：+27~+224;Eon [mJ]范围：+0.13~+140；Eoff [mJ]范围：+0.08~+69，MASPOWER的IGBT拥有TO-220、D2PAK、TO-220F、TO-247等多种封装形式可以广泛用于焊接设备、工业控自动化、新能源、电动汽车、电源、智能物联等领域。