智芯研报 | 碳化硅SiC功率器件在电动汽车中的研究与应用

第三代半导体联合创新孵化中心

2021年5月11日 11:13

浏览：2083 收藏：1

电动汽车的电动机是有源负载，其转速范围很宽，且在行驶过程中需要频繁地加速和减速，工作条件比一般的调速系统要复杂，因此，其驱动系统是决定电动汽车性能的关键所在。

随着电动汽车的发展，对电力电子功率驱动系统提出了更高的要求，即更轻、更紧凑、更高效、更可靠。

常用的半导体材料，尤其是各种电子产品中的处理器、存储器等芯片，通常都是基于硅晶体(单晶硅或多晶硅)制造出来的。而实际上还有一类半导体是基于化合物晶体制造的，SiC(碳化硅)半导体就是其中之一。

由于相比硅基半导体在材料特性上有所差异，SiC(碳化硅)半导体具备比硅基半导体更好的高频、大功率、高辐射性能。

什么是SiC?

碳化硅又称金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。

目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm²。

黑碳化硅是以石英砂,石油焦和优质硅石为主要原料,通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉,性脆而锋利。

绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料,添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间,机械强度高于刚玉。

碳化硅(SiC)由于其独特的物理及电子特性, 在一些应用上成为最佳的半导体材料: 短波长光电器件, 高温, 抗幅射以及高频大功率器件，其主要特性及与硅(Si)和砷化镓(GaAs)的对比如下。

宽能级(eV)：

4H-SiC: 3.26
6H-Sic: 3.03
GaAs: 1.43
Si: 1.12

由于碳化硅的宽能级, 以其制成的电子器件可在极高温下工作，这一特性也使碳化硅可以发射或检测短波长的光, 用以制作蓝色发光二极管或几乎不受太阳光影响的紫外线探测器。

高击穿电场(V/cm)：

4H-SiC: 2.2x10e6
6H-SiC: 2.4x10e6
GaAs: 3x10e5
Si: 2.5x10e5

碳化硅可以抵受的电压或电场八倍于硅或砷化镓, 特别适用于制造高压大功率器件如高压二极管、功率三极管、可控硅以及大功率微波器件. 另外, 此一特性可让碳化硅器件紧密排列, 有利于提高封装密度。

高热传导率(W/cm‧K@RT)：

4H-SiC: 3.0-3.8
6H-SiC: 3.0-3.8
GaAs: 0.5
Si: 1.5

碳化硅是热的良导体, 导热特性优于任何其它半导体材料。

事实上, 在室温条件下, 其热传导率高于任何其它金属，这使得碳化硅器件可在高温下正常工作。

高饱和电子迁移速度(cm/sec @E 2x105V/cm)：

4H-SiC: 2.0x107
6H-SiC: 2.0x107
GaAs: 1.0x10
Si: 1.0x107

由于这一特性, 碳化硅可制成各种高频器件(射频及微波)。

多年来，主流的功率半导体技术一直（现在仍然）是硅基，即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

功率MOSFET被认为是最便宜、最流行的器件，用于适配器、电源和其他产品。它们用于高达900伏的应用中。

▲SiC电源组件在电动汽车中有许多用途

最主要的中端功率半导体器件是IGBT，它结合了MOSFET和双极晶体管的特性。IGBT用于400伏~10千伏的应用。

问题在于，从5伏到几百伏，硅MOSFET一直都是一种很好的技术。当电压达到600伏到900伏时，硅MOSFET很好，但它开始出现能量损失。

功率MOSFET和IGBT正在达到其理论极限，并且存在不必要的能量损失。器件因传导和开关而产生能量损失。传导损耗是由器件中的电阻引起的，而开关损耗是在开关状态期间发生的。

典型混联型电力驱动系统的电路结构如下图所示，由储能电池、双向DC-DC 变换器、逆变器/变流器、电动机、发电机、控制电路和电感电容组成。

其中，双向DC-DC变换器将储能电池的电压泵升到逆变器所需的高压直流；逆变器/变流器将直流电压转换成驱动电机的三相交流电；发电机与燃油发动机相连。

其较为理想的工作状态是：启动和低速时，燃油发动机关闭，电池向电动机供电并驱动汽车行驶；爬坡和加速时，燃油发动机和电动机可同时工作；减速和制动时，电动机和发电机均可进行再生制动，向电池充电，能量得到回收。

实际上，现在的大功率电力电子设备无论是成本、体积，还是功率密度，都不是很适应汽车工业的需求。因为传统的大功率电力电子设备主要面向一般工业和可再生能源领域，在性能上要求没有汽车行业这么苛刻。

对于新一代大功率电动汽车，其电力驱动系统需从传统工业级进入到真正的汽车工业级。

为此，美国能源局制定了2020 年HEV 的发展目标：电力电子设备的功率密度超过14.1kW/kg，体积小于13.4kW/L，效率超过98%，价格低于3.3/kW。

这个发展目标对电力电子器件和拓扑性能、控制策略、系统集成以及封装都提出了新的要求和挑战。

SiC 功率半导体器件具有Si基器件无可比拟的电气性能：

1 ）耐压高。

临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐压能力(10 倍于Si)。

2）散热容易。

由于SiC 材料的热导率较高(3倍于Si)，散热更容易，器件可工作在更高的环境温度下。有报导，SiC 肖特基二极管在361℃的工作结温下正常工作超过1 小时。

SiC 可显著减小散热器的体积和成本。理论上，SiC 功率器件可在175℃结温下工作，因此散热器的体积可以显著减小。

▲采用 Si 和SiC SBDs 的散热对比

上图为采用SiC SBDs的小功率EV 车载逆变器散热片体积和采用传统Si基半导体器件散热片体积的对比，可看出，采用SiCSBDs 器件散热片的体积大大减小。

对于主流的大功率HEV，一般包含两套水冷系统，一套是引擎冷却系统，冷却温度约105℃，另一套是电力电子设备的冷却系统，冷却温度约为70℃。

如果采用SiC 功率器件，由于其具有3 倍于Si 的导热能力，可以使器件工作于较高的环境温度中。

长期以来，HEV 设计者一直希望将两套水冷系统合二为一，其直接效益是大大降低了HEV 驱动系统的成本。

此外，SiC 功率器件的高导热性也使风冷在未来的中、大功率电动汽车中成为可能。

3）导通损耗和开关损耗低。

SiC 材料具有两倍于Si 的电子饱和速度，使得SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于Si)，导通损耗低；SiC 材料具有3倍于Si 的禁带宽度，泄漏电流比Si 器件减少了几个数量级，从而可以减少功率器件的功率损耗；关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于Si)。

4）可以减小功率模块的体积。

由于器件电流密度高(如Infineon 产品可达700A/cm²)，在相同功率等级下，全SiC 功率模块(SiC MOSFETsSiC SBD)的封装尺寸显著小于Si IGBT 功率模块。

▲三菱电机 Si 和SiC 功率模块封装对比

由于开关损耗的降低，SiC 器件能工作于20kHz 以上开关频率，将够显著减小无源器件的体积和成本。

▲三菱电机 11kW Si 和SiC 逆变器体积对比，其中SiC逆变器的功率密度达到10W/cm³

▲典型的电动汽车电源架构

随着电动汽车以及其他系统的增长，碳化硅（SiC）功率半导体市场正在经历需求的突然激增。

这便是SiC的用武之地。基于氮化镓（GaN）的功率半导体也正在出现。GaN和SiC都是宽带隙技术。硅的带隙为1.1 eV。相比之下，SiC的带隙为3.3 eV，GaN的带隙为3.4 eV。

SiC是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中，专门的SiC衬底被开发出来，然后在晶圆厂中进行加工，得到基于SiC的功率半导体。

许多基于SiC的功率半导体和竞争技术都是专用晶体管，它们可以在高电压下开关器件的电流。它们用于电力电子领域，可以实现系统中电力的转换和控制。

▲碳化硅智能功率模块

与传统硅基器件相比，SiC的击穿场强是传统硅基器件的10倍，导热系数是传统硅基器件的3倍，非常适合于高压应用，如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。

另外，SiC还用于制造LED。碳化硅材料各项指标均优于硅，其禁带宽度几乎是硅的3倍，理论工作温度可达600℃，远高于硅器件工作温度。技术成熟度最高，应用潜力最大。

碳化硅器件具有更低的导通电阻。

在低击穿电压 (约 50V 下）,碳化硅器件的比导通电阻仅有 1.12uΩ,是硅同类器件的约 1/100。

在高击穿电压 (约 5kV 下）,比导通电阻提高到 25.9mΩ, 却是硅同类器件的约 1/300。

更低的导通电阻使得碳化硅电力电子器件具有更小的导通损耗,从而能获得更高的整机效率。

商业化的硅肖特基二极管通常耐压在 300V 以下,而首个商业化的碳化硅肖特基二极管的电压定额就已近达到了600V ; 首个商业化的碳化硅 MOSFET 电压定额为 1200V ,而常用的硅 MOSFET大多在 1kV 以下。

▲典型的EV/HEV电路框图及适用于SiC/GaN的可能性

碳化硅器件的极限工作温度有望达到 600℃以上, 而硅器件的最大结温仅为 150℃。

碳化硅器件抗辐射能力较强,在航空等领域应用可以减轻辐射屏蔽设备的重量。

碳化硅器件对电动车充电模块性能的提升主要体现在三方面：

（1）提高频率，简化供电网络；

（2）降低损耗，减少温升。

（3）缩小体积，提升效率。

▲混合动力汽车/电动汽车中的英飞凌主逆变器框架图

(图片来源：英飞凌)

最大的增长机会在汽车领域，尤其是电动汽车。

基于SiC的功率半导体用于电动汽车的车载充电装置，而这项技术正在进入系统的关键部分——牵引逆变器。牵引逆变器为电动机提供牵引力，以推动车辆前进。

SiC正在进军车载充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器。车载充电器通过电网为车辆充电。

DC-DC转换器获取电池电压，然后将其降低到较低的电压，用于控制窗户、加热器，以及其他功能。

▲infineon DC/DC converter

纯电动汽车也由牵引逆变器组成。高压母线将逆变器连接到电池和电机上。电池为汽车提供能量。

推动汽车前进的电动机有三根线。这三根线延伸到牵引逆变器，然后联网到逆变器模块内的六个开关。每个开关实际上是一个功率半导体，在系统中充当电开关。

对于开关，现有的技术是IGBT，因此牵引逆变器可以由六个IGBT组成，额定电压为1200伏。

在逆变器中，有六个IGBT，每个IGBT都有一个单独的硅二极管。使用二极管有几个原因：IGBT无法承受反向电动势和过高的电压。因此，需要在每个IGBT上加一个二极管，以防止在关闭开关时破坏它。

不久前，日本电装公司与丰田汽车共同推出功率密度高达60kW/L的逆变器;罗姆公司采用碳化硅功率器件使驱动系统和马达实现了一体化;三菱电机开发的新型EV用马达里的逆变器，其晶体管和二极管全部使用碳化硅。

国内从2014年碳化硅二极管就已经实现了量产，但事实上，还没有形成完整的产业，与外国产业规模差距大，国内市场上大部分碳化硅功率器件依赖进口，形成国际大厂垄断局面。

在碳化硅材料方面，国内仅有少数几家从事碳化硅衬底材料和外延材料的研发工作。

而在碳化硅功率器件方面，虽然清华大学、中国科学院等都有此类器件的课题研究，但主要是理论研究及实验室的研究成果。

▲比亚迪SiC晶圆

比亚迪2018年已经成功研发了SiC MOSFET（汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或MOSFET等），有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。

预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10%。

比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC，并将整合材料（高纯碳化硅粉）、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在电动车领域的应用。

▲infineon Auxiliary Inverters/Converters

国内产业链比较健全，但基础技术（单晶，外延和器件）离国外有很大距离：

单晶：天科合达，46所，神舟，硅酸盐所
外延：中科院，西电，13所，55所
器件：西电，13所，55所，南车
封装：13所，55所，南车
电路应用：清华，浙大，南航，海军工程大学
用户：国网，南车

将750V转换到27V供低压电动汽车使用的SiC电源供应，是用SiC功率组件提高电动汽车效率的很好例子。

这种架构将效率从88%提高到了96%，将尺寸和重量减少了25%，并且与Si解决方案相比不需要用风扇来冷却多余的热量。

目前SiC器件在EV／HEV上应用发展最快的是日本企业，走在前面的当属丰田公司。丰田中央研发实验室(CRDL)和著名零部件厂商电装公司从1980年就开始合作开发SiC半导体材料，2014年5月他们正式发布了基于SiC半导体器件的零部件—— 应用于新能源汽车的功率控制单元(PCU)。

2015年5月丰田汽车公司公布了配备SiC半导体功率控制单元(PCU) 的混合动力车(HEV)的公路实验结果，实验于2015年2月在日本爱知县启动，到5月底“已经确认燃效较原来改善了5％，通过优化动作控制，可以达到将燃效改善10％的目标”。

日立制作所和日立汽车系统公司2015年9月28日宣布，面向混合动力车和纯电动汽车开发出了高效率、高功率的逆变器。与日立的原产品相比，新产品的电力损耗削减60％，相同体积下的电力容量扩大到了约2倍。

通过碳化硅功率器件实现大幅度电动汽车逆变器和DC-DC转换器等驱动系统的小型轻量化。如果利用碳化硅功率元件，体积可以缩小到原来的3/2至3/1。

另一方面，碳化硅可以改善电池性能，增加充放电循环次数。碳化硅的使用可提高充电锂离子电池3倍以上的电容量，碳化硅延长了电动汽车的续航时间。

下表显示电动汽车SiC功率组件的一些重要应用：

▲电动汽车电子架构中的一些SiC应用

PCU是指电源控制单元；APS是指辅助电源)

表格来源：2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies

实际上，我们可以把IGBT看做是电开关，它们可以启用和禁用各种电机绕组，并有效地使电机旋转。

用于这种功能的最流行的电子半导体开关称为IGBT，超过90%的汽车制造商都在使用它们，它们是根据需要将电池电流转换到电动机的最便宜的方式。

SiC MOSFET比IGBT具有更快的切换速度，SiC MOSFET降低了开关损耗，同时降低了中低功率水平下的传导损耗。

它们的工作频率是IGBT的4倍，由于更小的无源元件和更少的外部元件，因此可以减小重量、尺寸和成本，因此，与硅基解决方案相比，SiC MOSFET可将效率提高90％。

特斯拉在一些车型中使用了SiC功率器件，SiC MOSFET在汽车市场具有潜力。但仍存在一些挑战，比如成本、长期可靠性和模块设计。

至于汽车应用，我们预计IGBT将在未来十年主导市场。SiC具有高效率、高功率密度的优点，但成本较高。这意味着缩小尺寸和缩小电池容量的优点需要弥补更高的成本。

这就是为什么我们相信SiC将最先用于车载充电器，因为更高开关频率下的SiC效率和更小的无源元件可以补偿SiC器件的高成本。只要电池成本节省多于SiC器件增加的成本，SiC就将被广泛应用于大型电池电动汽车的主逆变器应用领域。

对于800伏系统的电动汽车，还有其他优点，例如更短的充电时间、更高的逆变器效率和更低的电缆成本。

▲infineon Battery Management

电动车辆由电动机驱动器驱动，电动机驱动器传统上使用功率MOSFET或IGBT。如果你用SiC替换掉原来的电动机驱动器，那么你的驱动器损耗会降低80％。这意味着在相同的续航里程内，可以使用更小的电池。电池越小意味着成本越低。

经过 20 多年的发展,虽然碳化硅器件目前还存在如产量低、价格高、商业化器件种类少和缺乏高温封装等问题,但商业化碳化硅电力电子器件所展现出的令人惊奇的性能已经受到了普遍的关注。

▲Franco-Italian chipmaker STMicroelectronics NV is a supplier for Apple and Tesla

到2023年，SiC功率半导体市场预计将达到15亿美元。

SiC器件的供应商包括Fuji、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、Rohm、东芝和Wolfspeed。Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工厂商。

随着碳化硅电力电子器件技术的研究的不断深入,这些问题将逐渐得到解决,更多更好的商用碳化硅电力电子器件将推向市场, 必将大大拓展碳化硅电力电子器件的应用领域。

同时,纵观电力电子的发展历程, 新器件的诞生会带来整个电力电子行业的重大革命,在不久的将来,碳化硅功率器件将成为各种变换器应用领域中减小功率损耗、提高效率和功率密度的关键器件。

SiC器件在电动汽车控制部件应用中存在的问题

尽管碳化硅功率器件在电动汽车驱动系统的使用中具有显著的优势和广泛的应用前景，但仍有以下问题需要解决：

1）电磁兼容性问题

电动汽车电力电子装置是电动汽车的最主要的电磁干扰源也是重要的传播途径，显然，高的开关频率会加剧电动汽车的电磁干扰。电动汽车内有大量噪声敏感的电子设备，不良的电磁兼容设计往往对其他车载电子设备的造成干扰甚至是误操作，给汽车留下较大的安全隐患。

此外，高频高压工作下的开关器件还会引起的剧烈的du/dt 和di/dt。du/dt将影响电机绝缘的可靠性；di/dt 将进一步恶化器件的工作条件，并产生更强的辐射电磁干扰。因此，对SiC 器件引起的电磁干扰的产生机理和抑制方法上进行深入研究，才能有效提高电动汽车的电磁兼容性能。

2）高频磁性元件设计问题

碳化硅器件的使用可以提高变换器的开关频率、缩小磁性元件体积，但高频化下的磁性元件有许多基本问题要研究。

①提高开关频率后，电抗器的磁性材料的铁损会增大，导致电力变换器效率降低，必须使用新的磁性材料和绕制工艺。如安川电机在其输出功率为45kW变换器的电感中使用了称为“Liqualloy”的非晶合金新磁性材料，该材料的特点是拥有与电磁钢板相当的高饱和磁通密度，而且高频成分的损耗小；

②由于开关频率的提高，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对电路某些性能(磁元件的漏感和分布电容等)产生重要影响。高频磁技术理论作为学科前沿问题，如磁心损耗的数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频磁元件的计算机仿真建模等，需要受到人们的广泛重视。

3）先进封装技术

电动汽车环境温度较高，功率模块及其辅助电路需满足高可靠性、耐热性以及电气坚固性等需求。因此需要先进封装技术改善散热条件、降低寄生参数、提高功率模块的电气坚固性和可靠性。电力电子研究人员一直在努力寻找新型大电流高功率密度封装结构和互连方法，以替代目前的平面封装结构和引线键合工艺，彻底消除它们带来的各种问题。

无引线键合的顶部功率连接，最小引线键合，动态匹配和芯片双面散热等工艺需要进一步研究[7]。近年来，新的封装技术，如英飞凌的扩散焊接工艺，赛米控的完全无焊接的弹簧压接技术以及烧结技术等，可能成为未来宽禁带电力电子器件的主流封装工艺。

参考文献：

1.《宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用》华南理工大学电力学院王学梅

2.《第三代半导体器件在新能源汽车(EV／HEV)上的应用》广东省机械研究所郑泰山

3.《应用增强型碳化硅结型晶体管的功率因数校正技术》密西西比州立大学车辆系统研究中心

| 来源：文章转自「驱动视界」

免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。文章内容系作者个人观点，本平台转载仅供学习交流，如果有任何异议，欢迎联系国际第三代半导体众联空间。