雖然硅幾乎達到了它的理論極限，但碳化硅功率器件已經實現了高度的可靠性和成熟度，在汽車領域提供了快速開關和前所未有的效率水平。本文基于PGC Consultancy 進行的分析，解釋了 SiC 將如何在從 400V 到 800V（及以上）電動汽車系統的過渡中發揮重要作用。

在之前的文章“ SiC 功率器件：降低成本以推動采用”中，分析了 SiC 器件的成本，證明了為什么 SiC MOSFET 的成本是相同 Si IGBT 的 2 倍到 3 倍，并試圖預測如何實現這些的價格會隨著時間的推移而下降。

圖 1：圖形映射 Si 和 SiC 功率器件

映射電源設備

圖 1 繪制了來自不同制造商、額定電壓分別為 650 V、1，200 V 和 1，700 V 的 2021 代 SiC MOSFET，其中它們的特定導通電阻與額定電壓作了對比。硅基 MOSFET 和 IGBT 也被包括在內以供參考。

圖中的對角線代表每種材料的單極極限——即對于給定的額定電壓，理論上可能的最低電阻。該限制表明，MOSFET 擊穿電壓增加 2 倍將導致器件電阻增加約 4.5 倍。正如前面提到的文章中已經指出的，較低的比導通電阻是降低 SiC 功率器件成本的重要因素。在評估這些圖表時，請記住，即使設備遠離理想的單極極限，它仍然可以是一個好的設備。但是，因為它的裸片尺寸會更大，所以它的成本會更高。這就是為什么為了最大限度地提高產量，制造商將致力于縮小其技術以盡可能接近單極極限。

SiC 與 Si 功率器件

如圖 1 所示，最新一代的 Si 器件幾乎是最優的，因為它們中的大多數都非常接近單極極限。這些器件在低于 100 V 時開始表現出它們的下限，此時由于襯底、JFET 和溝道的固定電阻開始主導器件的總電阻。雖然所檢查的兩個 Si IGBT 低于硅的單極極限，但與其他單極器件相比，它們涉及顯著的開關損耗。因此，在 SiC 出現之前，設計人員有兩種基于硅的選擇：在低壓下運行的快速開關 MOSFET 或在中高壓和高壓下運行的慢速開關 IGBT。

固定電阻意味著額定電壓為 650 V 的 SiC MOSFET 并不是非常接近單極極限。它們的電阻足夠高，以至于今天的 650V IGBT 變體、溝槽門控場截止技術可以實現比這些 SiC MOSFET 更低的傳導損耗。然而，當兩個器件都在相同的開關頻率下工作時，與 IGBT 的大開關損耗相比，傳導損耗的這種小幅增加可以忽略不計。

這就是讓特斯拉能夠在 650 V 下展示更快開關、更高效率的解決方案的原因，盡管其 2018 年 Model 3 逆變器的重量大約是日產聆風逆變器重量的 40%，而其功率僅為特斯拉的一半。效率優勢將允許減少車輛所需的昂貴和重型電池的數量，從而收回組件成本。

在 1，200 V 時，SiC MOSFET 證明了其卓越的特性，其特定導通電阻更接近 SiC 單極極限。這些器件在 1，200 V 時比單極極限高 14 至 33 倍，而在 650 V 時為 35 至 90 倍。如圖 2 所示，650 V SiC MOSFET 的功率密度為 2 倍，功率密度為 6.5 倍開關損耗低于 650-V Si IGBT。這些差異在更高的電壓下被放大，與 1，200-V Si IGBT 相比，1，200-V SiC 器件的功率密度高 16 倍，開關損耗低 11 倍。

圖 2：SiC MOSFET 和等效額定 Si IGBT 之間的比較

SiC 支持 800-V EV 電池

在 EV 市場中，將 400 V 系統標準翻倍至 800 V 有幾個優勢。這些優勢源于一個簡單的想法，即電壓加倍允許通過相同的電纜傳輸兩倍的功率，或者保持相同的功率將允許傳輸一半的電流（或兩者之間的權衡位置）。一方面，更大的功率傳輸導致重新排列的電池組的充電速度更快。另一方面，減少電流將允許減少電機周圍的銅繞組，從而減少其尺寸和重量，同時電纜重量也可能類似地減少。這些好處對整體系統效率、范圍擴展和/或系統成本降低具有重大影響。

從對當今最先進的 SiC 器件的分析中可以清楚地看出，SiC 是一種寬帶隙半導體，在最大限度地提高電動汽車向 800 V 總線過渡的潛力方面發揮著關鍵作用。在 1，200 V 時，SiC 開始大顯身手，除了可靠性問題、設計遺留問題和/或保守的應用空間，這些都是堅持使用 Si IGBT 的原因。因此，對于最近的保時捷 Taycan，這是一個懸而未決的問題，盡管過渡到 800 V，但 Si IGBT 解決方案勝出，而同時，900 V Lucid Air 選擇了 SiC MOSFET。

結論

總而言之，Si 技術已盡可能成熟，MOSFET 即將問世，IGBT 技術已成熟。SiC 是一個相對較新的產品，但僅經過十年和三代設備，SiC MOSFET 已被證明與 Si IGBT 具有競爭力。這項研究支持了 PGC 咨詢公司長期以來的說法：雖然 SiC 在 650 V 時毫無疑問地表現出色，但在 1，200 V 及以上時它會不斷變得更好。