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在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制器中，逆變器是實(shí)現(xiàn)能量交直流轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的能量回收。市場(chǎng)對(duì)于控制器的能量傳輸效率、功率密度、價(jià)格等方面的要求越來越高。而功率模塊又是逆變器實(shí)現(xiàn)高傳輸效率、高功率密度的關(guān)鍵器件，目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)逆變器絕大部分是基于傳統(tǒng)Si（硅）器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）功率模塊的設(shè)計(jì)，存在開關(guān)頻率低、損耗大的缺點(diǎn)，制約了電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器功率密度的提高。

SiC（碳化硅）與Si器件相比存在三方面優(yōu)勢(shì)：更高的擊穿電壓強(qiáng)度；更低的損耗；更高的熱導(dǎo)率。這些特性意味著SiC器件可以用在高電壓、高開關(guān)頻率、高功率密度的場(chǎng)合。隨著SiC模塊功率制造水平的提高，SiC將會(huì)是越來越適合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器的半導(dǎo)體器件，采用SiC器件是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器高功率密度的有效手段。目前，將SiC功率模塊應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的研究越來越多，豐田汽車公司已經(jīng)在混合動(dòng)力車上應(yīng)用了SiC功率模塊。

與Si器件相比，使用SiC器件有很大的優(yōu)勢(shì)

效率高，提高整車行駛里程

由于Si IGBT的導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)二極管特性：即使導(dǎo)通電流很小，IGBT也有較大的初始導(dǎo)通壓降。而SiC MOSFET的導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)電阻特性：其導(dǎo)通壓降與導(dǎo)通電流成正比。Si IGBT和SiC MOSFET兩種不同的導(dǎo)通壓降特性決定了只有在電流非常大時(shí)，SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗才會(huì)比Si IGBT高，而在大部分電流區(qū)間，SiC MOSFET的導(dǎo)通損耗要優(yōu)于Si IGBT。在整車工況中，大部分均為小電流工況，而大扭矩工況在整車路譜中的占比很小。而隨著SiC芯片技術(shù)的發(fā)展，未來SiC MOSFET的導(dǎo)通阻抗將全面優(yōu)于Si IGBT。

因此，使用SiC器件后，逆變器的轉(zhuǎn)換效率可以得到明顯提升，從而對(duì)于相同的電池包，使用SiC器件可以有效提高整車的行駛里程。

體積小，功率密度高

由于SiC器件具有損耗低的特點(diǎn)，因此，與Si器件相比，SiC器件只需要更小的芯片面積就可以實(shí)現(xiàn)相同的輸出功率。與此同時(shí)，SiC器件可以工作在高頻，有利于減小功率器件周邊無源器件的體積。聯(lián)合電子開發(fā)的SiC逆變器，在相同的功率等級(jí)下，體積比已批產(chǎn)的Si逆變器降低一半以上。

開關(guān)頻率高，優(yōu)化系統(tǒng)噪聲

目前Si逆變器的常用開關(guān)頻率為5-10kHz，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生5-20kHz的開關(guān)噪聲，該噪聲在人耳可以聽到的頻率范圍內(nèi)，易使人產(chǎn)生不舒適感。而使用SiC器件后，通過提高開關(guān)頻率到40kHz，可以使得系統(tǒng)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲頻率超過人耳可以聽到的頻率范圍。與此同時(shí)，開關(guān)頻率提升后有利于降低電流控制諧波，從而降低電磁噪聲，提高整車的行駛體驗(yàn)。

但是目前使用SiC器件也存在很大的挑戰(zhàn)

SiC器件的價(jià)格較高

由于目前SiC芯片的工藝不如Si成熟，主要為4英寸晶圓，材料的利用率不高，而Si芯片的晶圓已經(jīng)發(fā)展到8寸甚至12寸。另一方面，市場(chǎng)上對(duì)SiC芯片的需求也還未起量，也從另一方面導(dǎo)致了SiC芯片的成本比較高。

SiC器件封裝技術(shù)發(fā)展滯后

目前世界上很多主流功率器件供應(yīng)商均對(duì)SiC芯片進(jìn)行了研究與開發(fā)，但是相比之下，SiC器件的封裝技術(shù)的發(fā)展滯后。與Si芯片相比，SiC芯片的耐溫更高，其工作溫度甚至可以超過200度，但是目前SiC模塊所使用的封狀技術(shù)還是沿用Si模塊的設(shè)計(jì)，其可靠性和壽命均無法滿足200度的工作要求。SiC芯片的應(yīng)用條件受到限制。

驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)

與Si芯片相比，SiC芯片的短路耐受能力大大降低，因此，為了防止SiC器件在運(yùn)用過程中發(fā)生短路失效，需要驅(qū)動(dòng)電路具備更低的響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)SiC器件驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn)。

熱設(shè)計(jì)

由于單個(gè)SiC芯片的面積較小，因此，為了實(shí)現(xiàn)大功率輸出，需要并聯(lián)使用更多的芯片數(shù)目。如何對(duì)模塊內(nèi)部的芯片進(jìn)行合理的layout設(shè)計(jì)以保證各芯片間的熱平衡，以及對(duì)芯片的熱點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)控，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

高開關(guān)速度帶來的EMI和絕緣問題與Si器件相比，SiC器件的開關(guān)速度可以得到顯著提高，開關(guān)過程中的di/dt和dv/dt均得以提高，雖然這有助于減小器件的開關(guān)損耗，但是另一方面其會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI問題，如何對(duì)控制電路及濾波電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)來對(duì)EMI進(jìn)行抑制，也是一個(gè)重要的課題。與此同時(shí)，高dv/dt對(duì)電機(jī)繞組的絕緣帶來不利影響，可能會(huì)加速漆包線、絕緣環(huán)等絕緣件的老化，因此對(duì)電機(jī)的絕緣設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。

總結(jié)

雖然目前SiC器件的工藝不如Si成熟，SiC封裝的發(fā)展相對(duì)滯后，器件價(jià)格也比Si高出好幾倍。但是隨著器件工藝的成熟以及市場(chǎng)對(duì)SiC器件的需求越來越高，這些劣勢(shì)將會(huì)被逐步抹平，而SiC器件與生俱來的高耐壓、高開關(guān)頻率、低損耗等各方面的優(yōu)勢(shì)，也決定了未來其可以作為一種非常有競(jìng)爭(zhēng)力的材料得到越來越廣泛的運(yùn)用。