介紹
過去幾年，電力行業市場受到一些相關趨勢的影響。例如，在 1999 年，我們推動了對模擬功率器件的大量需求的電信熱潮。計算和移動設備趨勢緊隨其后，后者主要需要低壓電源解決方案。大功率器件的下一個相關趨勢近開始于涉及汽車行業的深度轉型。碳化硅技術在今天無處不在。如圖 1 所示，SiC 二極管、MOSFET 和模塊廣泛應用于電源應用，例如：云服務器、交通運輸、EV 電池充電器和光伏逆變器。盡管仍然是一項新興且相對較新的技術，但碳化硅已經能夠提供可靠和高效的電源解決方案：這就是汽車行業選擇它的原因。
圖1：SiC基功率器件的主要應用碳化硅的汽車應用
據廣泛接受的估計，2017 年碳化硅應用于汽車的收入為 700 萬美元。在未來五年內，這一趨勢將增加 300 倍，到 2022 年將達到 24 億美元。估計十年內所有制造的汽車中有一半將是電動汽車；此外，排放標準在世界其他地方變得越來越嚴格。因此，如果其他稱 2027 年市場將達到 100 億美元，也就不足為奇了。與普通硅器件相比，碳化硅技術提供更高的開關頻率和功率密度。因此，汽車應用可以受益于更小尺寸的設備、更小的無源元件和更簡單的冷卻。僅僅一年時間，從2017年到2018年，選擇基于 SiC 的逆變器原型的汽車公司的累計數量急劇增加。據我們今天所知，80% 的汽車傳動系統活動以某種方式涉及碳化硅。剩下的 20% 可能很快就會跟進。碳化硅功率 MOSFET、二極管和模塊的主要汽車應用如下：
車載電動汽車充電器；
DC/DC 轉換器；
傳動系逆變器。
車載 EV 充電器 （OBC）
該應用包括為 PHEV 和 BEV 汽車電池充電，通常在家里、車庫或配備齊全的停車場進行。完整運行大約需要 6-8 小時，今天涉及的功率水平高達 6.6 kW（即使它們將在未來幾年變成 11kW 甚至 22kW）。操作原理非常簡單：從插座中取出 90-265 VAC 電源，將汽車轉換為直流電源，然后用于為電池充電。這種應用的關鍵因素是：高效率、高功率密度和（提供）雙向能量流。碳化硅技術符合所有這些要求，因為與等效的硅基解決方案相比，它具有更高的效率、更小的尺寸和更低的成本。一個典型的雙向 6 的框圖。6kW 碳化硅 OBC 如圖 2 所示。它由一個圖騰柱 PFC 級（兩個相同的并聯工作的器件）和一個 DC/DC 轉換器（LLC 諧振槽）組成?？偣残枰?16 個 SiC MOSFET，例如采用高性能 TO247 封裝的 C3M 系列，能夠實現高于 96% 的峰值效率。
圖 2：基于 SiC 的 OBC 的框圖基于 SiC 的解決方案帶來的好處很簡單：更低的損耗（意味著更小的尺寸）、更高的頻率（更小的無源元件）和更高的效率（更簡單和更小的冷卻）。
電動汽車傳動系統
用于 BEV 動力系統和商用車輛的傳動系統是一項重要且具有挑戰性的應用。它處理的功率范圍從 90 到 350 kW 及以上，但沒有標準：這是一個完全開放的領域，這使它成為一個巨大的機會。該應用的關鍵因素是：車輛續航里程延長、電池和系統成本降低、用于再生制動的雙向能量流。碳化硅技術在該領域也具有多項優勢，可將系統尺寸縮小多達 30%、損耗降低多達 80% 并降低系統成本。德爾福進行了一項基準比較，比較了硅基 IGBT 與 SiC MOSFET 的效率，兩者都用于車輛 200kW 逆變器。在相同的電壓和開關頻率下運行，SiC MOSFET 實現了高達 80% 的逆變器損耗降低，
圖 3：車輛逆變器中的 Sic 與 IGBT 驅動器損耗福特是汽車應用碳化硅功率器件評估的先驅，也進行了類似的測試?；鶞蕼y試表明，與硅相比，碳化硅技術在 EPA 地鐵公路循環的純電動驅動模式下將逆變器損耗降低了約 78%。反過來，對于相同的電池尺寸，這可以使續航里程增加 7-10%，或者相同續航里程的電池容量減少 7-10%。
碳化硅 MOSFET 如何實現電動汽車動力傳動系統
如前所述，電動汽車動力傳動系統是一個全新的領域：沒有標準，原始設備制造商也沒有遵循共同的方式。Wolfspeed 采用的方法側重于芯片本身，提供不同的布局，每種布局都有自己的尺寸、金屬化、電流和電壓規格（圖 4）。這種方法的關鍵特性是基于互操作性：不同的芯片尺寸、柵極布局和金屬化可以滿足不斷發展的行業不斷變化的需求，從而實現碳化硅技術的廣泛采用。
圖 4：具有不同布局和特性的芯片外置充電器
典型的非車載充電器系統如圖 5 所示。它與服務器機架非常相似，其中每個機架由一系列 20kW 模塊組成。每個模塊的輸入是交流三相電壓，后跟濾波器和 DC/DC LLC 級。實施此功能的充電站如今能夠提供快速充電：繞過車載充電器，可以實現 30 分鐘的充電持續時間。功率級別在 80kW 到 150kW 之間，多個 15-20kW 模塊能夠為 PHEV 和 BEV 電池充電。這種應用需要高效率和功率密度的設備，這反過來又允許更小的站。
圖 5：電動汽車充電系統框圖關于硅基 IGBT，碳化硅 MOSFET 在此應用中也提供更好的性能：效率提高 2% 以上，功率密度增加 33%，系統成本更低，組件更少。
碳化硅可靠性
碳化硅已被證明是一種成熟的技術，具有多種具有挑戰性的應用。然而，除非技術可靠，否則任何技術都不會進入汽車?？煽啃圆粌H僅意味著通過資格或擁有 PPAP。長期的可靠性需要一個長期的過程，需要在幾年內收集現場故障率數據。硅技術已經存在了 60 年，因此已經可以獲得大量真實數據。
相反，碳化硅技術才問世八年。因此，需要數據外推進行深入的壓力測試。Wolfspeed和可靠性評估證明了 SiC 的成熟度，具有 100 萬小時的 V DS外推壽命和 1000 萬小時的 V GS外推壽命。成功的產品和現場可靠性表明 SiC 已準備好用于大批量制造和高可靠性應用，例如汽車。
現場失效率是可靠性評估的重要指標。Wolfspeed 已發布產品超過 5.7 萬億場小時，在其剛剛推出的第三代 SiC MOSFET 上實現了 4.1 FIT 率（每十億器件小時有效場故障），在老一代器件上實現了 3.7 FIT 率。由于汽車標準通常要求 FIT 率為 10ppm，因此碳化硅證明了其對此類應用的長期可靠性。
結論
如今，汽車應用正在為高功率設備帶來巨大機遇，而且這種趨勢將持續下去，并可能在未來幾年內增加。能源工業市場將受到拖累，受益于碳化硅技術提供的相同優勢。碳化硅的價值被很好地理解和接受，再也沒有人問為什么碳化硅了。由于對這項技術有很大的興趣，供應商必須靈活并能夠為系統解決方案提供多種方法。與傳統的硅基器件相比，碳化硅在汽車應用中具有重要的優勢：提高功率密度、提高系統效率、范圍擴展、降低系統成本和長期可靠性。碳化硅已經存在于汽車中，但我們才剛剛開始。
