從建筑技術(shù)到客運(yùn)和貨運(yùn)，我們?cè)谌粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域都面臨著巨大的動(dòng)蕩。一個(gè)全新的話題是電動(dòng)汽車。汽車制造商、工業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)攜手合作，實(shí)施全電動(dòng)車輛和必要的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來(lái)，電動(dòng)汽車的前景有了顯著改善。在過去的幾年中，各種公司已經(jīng)研究和測(cè)試了新的驅(qū)動(dòng)概念。第一批混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車現(xiàn)已上市。電力電子系統(tǒng)等新組件被集成到汽車中，這是傳統(tǒng)柴油/汽油車輛中不存在的。
示例包括以下系統(tǒng)：
驅(qū)動(dòng)逆變器以驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（高達(dá)300kW）
電池充電器（車載充電器）從3.6kW到22kW
感應(yīng)充電（無(wú)線充電）從3，6kW到22kW
直流/直流轉(zhuǎn)換器高達(dá)5kW
用于空調(diào)、轉(zhuǎn)向支架、水泵等輔助單元的逆變器
對(duì)于上述系統(tǒng)，電力電子在確?；旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車的功能方面起著決定性的作用。
碳化硅高效半導(dǎo)體材料
汽車原始設(shè)備制造商對(duì)電力電子系統(tǒng)的要求對(duì)此類系統(tǒng)的開發(fā)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。特別是空間要求、重量和效率起著重要作用。此外，整個(gè)系統(tǒng)的成本和產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工作量要保持在較低水平，同時(shí)還必須保證產(chǎn)品質(zhì)量和操作安全。
傳統(tǒng)電力電子器件的效率基于硅半導(dǎo)體技術(shù)，通常在85%至95%之間變化。這意味著在每次功率轉(zhuǎn)換期間，大約10%的電能會(huì)以熱量的形式損失。一般來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)電力電子的效率主要受到功率半導(dǎo)體性能特點(diǎn)的限制。由于其物理特性，半導(dǎo)體材料SiC具有滿足這些市場(chǎng)趨勢(shì)要求的巨大潛力。
與硅半導(dǎo)體器件相比，SiC的電場(chǎng)強(qiáng)度高出近十倍（2.8MV/cm對(duì)0.3MV/cm）。這種非常堅(jiān)硬的SiC基板具有更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，因此可以將更薄的層結(jié)構(gòu)（即所謂的外延層）施加到SiC襯底上。這相當(dāng)于硅外延層層厚度的十分之一。在相同的阻斷電壓下，SiC的摻雜濃度可以達(dá)到比Si對(duì)應(yīng)物高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，組件的表面電阻（RonA）降低，從而大大降低了直通損耗。
熱設(shè)計(jì)在電力電子系統(tǒng)中起著決定性的作用，以便設(shè)計(jì)高功率密度，從而設(shè)計(jì)緊湊的系統(tǒng)。作為一種半導(dǎo)體材料，SiC非常適合這些應(yīng)用，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)幾乎是Si半導(dǎo)體器件的三倍。與硅半導(dǎo)體相比，SiC也適用于更高的工作溫度。
半導(dǎo)體器件的功耗
在電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，在電流流動(dòng)和半導(dǎo)體元件的切換過程中會(huì)出現(xiàn)功率損失。電力電子系統(tǒng)中的總功率損耗包括靜態(tài)損耗和開關(guān)損耗。靜態(tài)損耗主要發(fā)生在功率組件的傳輸狀態(tài)期間。開關(guān)損耗是由打開和關(guān)閉半導(dǎo)體引起的。工作期間開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗就越高。
電力電子系統(tǒng)中的開關(guān)頻率通常由應(yīng)用和系統(tǒng)特定的約束來(lái)定義。例如，電驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)頻率由電機(jī)所需的輸出頻率決定。此外，其他因素，如整個(gè)系統(tǒng)的諧振行為、電磁兼容性（EMC）和熱管理，在定義要使用的開關(guān)頻率方面起著重要作用。除了功率半導(dǎo)體器件中的功率損耗外，變壓器、電感器和中間電路電容器等無(wú)源元件也存在損耗。
功率半導(dǎo)體與電感和變壓器等無(wú)源元件之間的相互作用同時(shí)成為在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高功率密度的決定性因素。因此，在設(shè)計(jì)電力電子系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮無(wú)源元件和半導(dǎo)體兩者的物理特性。
靜態(tài)損耗和開關(guān)損耗以及無(wú)源元件加起來(lái)就是系統(tǒng)中的總功率損耗，而總功率損耗又可以轉(zhuǎn)化為熱量。產(chǎn)生的熱量必須通過合適的冷卻介質(zhì)散發(fā)，以確保所用組件和系統(tǒng)的可靠性。原則上，開關(guān)損耗由單個(gè)開關(guān)過程產(chǎn)生，例如在打開或關(guān)閉半導(dǎo)體時(shí)。開關(guān)頻率的增加會(huì)導(dǎo)致總開關(guān)損耗的增加，進(jìn)而強(qiáng)烈影響總功率損耗。在車輛的某些電力電子系統(tǒng)中，為了滿足系統(tǒng)要求或規(guī)范，首選高開關(guān)頻率。在這樣的系統(tǒng)中，開關(guān)損耗將占系統(tǒng)中總功率損耗的很大一部分。
如果將硅半導(dǎo)體用于這種高開關(guān)頻率應(yīng)用，則高功率耗散和由此產(chǎn)生的熱力系統(tǒng)開發(fā)人員要限制負(fù)載電流，以保證系統(tǒng)的功能和可靠性。換句話說(shuō)，高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更少的功率。但是，如果這些應(yīng)用中的高負(fù)載電流是必不可少的，則必須相應(yīng)地增加系統(tǒng)的整體體積。在這一點(diǎn)上，這一措施是不可避免的，但不符合最終用戶的期望?？梢哉f(shuō)，硅半導(dǎo)體幾乎已經(jīng)達(dá)到了極限。
比較具有高開關(guān)頻率應(yīng)用中的SiC-MOSFET和Si-GIBT，可以說(shuō)由于Si-IGBT的高開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的熱量，必須降低輸出電流。這是不超過最大芯片溫度并確保半導(dǎo)體功能的唯一方法。
使用SiC時(shí)，圖片看起來(lái)不同。SiC半導(dǎo)體具有比Si-IGBT更好的開關(guān)性能。因此，SiC在高開關(guān)頻率下產(chǎn)生的開關(guān)損耗較小。因此，與Si-IGBT相比，在高開關(guān)頻率下可以獲得更大的負(fù)載電流。
圖2顯示了原始SiC半橋模塊（BSM300D12P2E001）與市場(chǎng)參與者提供的四種不同IGBT模塊之間的比較。
該圖清楚地表明，在高開關(guān)頻率下，SiCMOSFET比Si-IGBT效率更高。當(dāng)使用300AIGBT模塊和40kHz開關(guān)頻率時(shí)，應(yīng)用中的負(fù)載電流不超過80Arms。相比之下，使用SiC200A模塊可以實(shí)現(xiàn)300臂的負(fù)載電流。這相當(dāng)于負(fù)載電流比Si-IGBT高120%。
為了能夠開發(fā)緊湊型電力電子系統(tǒng)，電力電子開發(fā)人員必須使用最佳冷卻。近年來(lái)，市場(chǎng)上引入了幾種新的冷卻概念來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。這些冷卻概念通常成本高昂，有時(shí)會(huì)在應(yīng)用中引起問題。此類問題或挑戰(zhàn)不僅發(fā)生在開發(fā)階段，而且發(fā)生在生產(chǎn)階段和服務(wù)運(yùn)行期間處理系統(tǒng)時(shí)。通過使用SiC等高效半導(dǎo)體材料，可以省去復(fù)雜的冷卻。這降低了冷卻成本并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)操作。
電力電子系統(tǒng)的小型化
基于電動(dòng)汽車的應(yīng)用場(chǎng)景，汽車制造商對(duì)電力電子系統(tǒng)提出了各種要求。例如，耐溫度變化、抗振性、不同溫度下的運(yùn)行可靠性以及長(zhǎng)使用壽命。此外，汽車制造商現(xiàn)在認(rèn)為集成系統(tǒng)的高功率密度等要求是不言而喻的。然而，所有這些要求都是電力電子的主要挑戰(zhàn)。
高壓電池的續(xù)航里程是混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車普及的最大障礙之一。為了說(shuō)服最終客戶（即車主）相信電動(dòng)汽車，許多汽車制造商目前依賴具有快速充電時(shí)間的充電系統(tǒng)。這是為了簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車的使用。但是快速充電意味著對(duì)于技術(shù)實(shí)施而言，需要在短時(shí)間內(nèi)獲得更高的充電性能才能為電池充電。由于車內(nèi)的可用空間始終有限，因此電池充電器系統(tǒng)必須具有高功率密度。這是將此類系統(tǒng)集成到車輛中以滿足市場(chǎng)需求的唯一方法。
車載充電器是由用于電源轉(zhuǎn)換的不同組件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。這些系統(tǒng)中集成了幾個(gè)組件。示例包括：半導(dǎo)體（如二極管、MOSFET）、無(wú)源元件（如電感器和電容器）和具有相應(yīng)轉(zhuǎn)換比的變壓器，以所需的電壓為電池充電。此外，變壓器用于在充電過程中對(duì)高壓電池進(jìn)行電耦。
電力電子元件小型化的選擇之一是電感器和變壓器等無(wú)源元件的更緊湊設(shè)計(jì)。這通常只有在可以控制在同一電路中部署的半導(dǎo)體以高開關(guān)頻率時(shí)才有可能。對(duì)于硅半導(dǎo)體，高開關(guān)頻率下的熱負(fù)載將限制這種方法。由于其出色的開關(guān)特性，SiC-MOSFET非常適合這些情況。
圖3顯示了以下示例：對(duì)于采用Si半導(dǎo)體的DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，開關(guān)頻率限制為25kHz。如果使用SiCMOSFET，則開關(guān)頻率可達(dá)160kHz。這導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的繞組質(zhì)量大幅小型化。可實(shí)現(xiàn)高功率密度和顯著的整體重量減輕。