為什麼SiC是電動車的核心
為實現永續發展的未來，動力傳動系統和高壓技術系統的電子設計師和工程師對實現更大的電動車續航里程、降低設計複雜性和外部元件成本非常感興趣…
汽車電氣化是一個仍面臨許多技術挑戰的領域，汽車製造商正集中精力應對這些挑戰。為實現永續發展的未來，動力傳動系統和高壓技術系統的電子設計師和工程師對實現更大的電動車續航里程、降低設計複雜性和外部元件成本非常感興趣。透過降低複雜性和設計成本來最大限度地提高電動車的自主性是現代汽車願景的主要目標。電動車生態系統深受碳化矽(SiC)電力電子元件的影響，這使得系統能夠獲得多種性能優勢。
汽車產業正在經歷技術轉型階段。事實上，從內燃機(ICE)汽車到電動車的演變正在迅速蔓延。與此同時，半導體市場在牽引逆變器系統和電源轉換方面的創新也有助於克服關鍵障礙，使其得到更廣泛的使用。在全球減少二氧化碳排放法規的推動下，電動車將在2030年得到廣泛採用。因此，牽引逆變器等高壓應用的設計人員如今面臨著在狹小空間內最佳化系統效率和可靠性的各種挑戰。汽車研究透過利用SiC電動車牽引逆變器參考設計，進一步減少了元件，加快了高效系統的原型開發。
如今，汽車製造商可以製造可靠的基於SiC和IGBT的牽引逆變器，並具有先進的SiC監控、保護和診斷功能，以實現功能安全。最新一代、高度整合的SiC閘極驅動器可最大限度地提高電動車的自主性。要實現提高電動車自主性的目標，還必須設計出更高效的牽引逆變器。汽車工程師必須設計出更安全、更高效的牽引逆變器，使電動車的續航里程每年增加數千公里。SiC閘極驅動器的特性使設計人員能夠提高功率密度，降低系統設計複雜性和外部元件數量，降低成本，實現功能安全和整體性能方面的戰略目標，最大限度地提高自主性，並設計出越來越高效的牽引逆變器。
功率元件技術規格及參考市場
SiC閘極驅動器有助於在消耗更少電能的同時實現更多功能。這使得它們成為適用於多個市場的理想元件，尤其適用於當今汽車市場的需求，並在各種應用中都具有優勢。新型SiC閘極驅動器在提高功率密度、性能和安全性方面具有出色的特性。
高效的電源轉換取決於系統中使用的功率半導體元件。由於功率元件技術的改進，大功率應用的效率越來越高，體積越來越小。這些元件包括IGBT和SiC MOSFET，它們具有額定電壓高、額定電流大，以及傳導損耗和開關損耗低的特點，非常適合大功率應用。電壓高於400V的應用要求元件額定電壓高於650V，以便為安全運作留出足夠的裕量。工業馬達驅動器、電動車和混合動力車、牽引逆變器，以及再生能源太陽能逆變器等應用的功率水準從幾kW到MW甚至更高。
SiC MOSFET和IGBT應用的功率水準非常相似，但隨著頻率的增加而變化(圖1)。SiC MOSFET在功率因數校正電源、太陽能逆變器、電動車和混合動力車、牽引逆變器、馬達驅動器和鐵路中的應用越來越普遍。另一方面，IGBT在馬達驅動、不斷電供應系統、3kW以下的組串式和集中式太陽能逆變器，以及電動車/混合動力車牽引逆變器中更為常見。
圖1：根據功率水準和頻率劃分的功率半導體元件應用示意圖。
(來源：德州儀器)
與矽MOSFET和IGBT相比，SiC MOSFET還具有多項系統優勢。首先，矽MOSFET和IGBT已在電源轉換器中使用了很長時間。然而，SiC MOSFET已成為一種新技術，由於其既有的材料特性，顯示出超越其他元件的重要優勢。事實上，寬能隙(WBG)材料具有非常有趣的特性。與使用矽元件的系統相比，SiC的材料特性可直接轉化為系統級優勢(圖2)。主要優勢包括尺寸更小、成本更低和重量更輕。因此，SiC MOSFET正逐漸取代矽功率元件。
圖2：功率元件材料的技術特性。
(來源：德州儀器)
矽MOSFET、矽IGBT和SiC MOSFET都可用於電源應用，但在功率水準、驅動方法和工作模式上有所不同。功率IGBT和MOSFET在閘極採用電壓驅動，因為IGBT在內部是一個驅動雙極結型電晶體的MOSFET。由於IGBT具有雙極特性，因此它們能以較低的飽和電壓承載較大的電流，從而實現較低的傳導損耗。
MOSFET的傳導損耗也很低，但取決於元件的漏源導通電阻(RDS(on))。矽MOSFET承載的電流比IGBT小，因此IGBT用於大功率應用。MOSFET用於高頻應用，在這些應用中，高效率是最重要的。
SiC MOSFET在元件類型上與矽MOSFET相似。不過，SiC是一種WBG材料，其特性使這些元件能夠在與IGBT相同的大功率水準下工作，同時還能實現高頻率開關。這些特性轉化為重要的優勢，包括更高的功率密度、更高的效率和更低的散熱。隨著功率水準的增加，例如在驅動電動車馬達的牽引逆變器中，由於高極限工作溫度和容許結溫，IGBT等矽功率元件的散熱管理變得更加複雜。這就需要將冷卻元件整合到驅動系統中，尤其是在功率可能超過100kW的牽引逆變器中。然而，這些冷卻元件會增加車輛的尺寸、重量和成本。相比之下，SiC的容許結溫要高得多。此外，在給定電池容量的情況下，SiC斷路器在牽引逆變器系統中的效率比IGBT提高了10%。
SiC在車用電力電子系統中的重要性
SiC是WBG半導體，近年來已成為一項成功的技術，有可能對永續交通生態系統產生全球性影響。將SiC用於電源開關可提高電動車動力系統的功率密度和開關效率。採用SiC材料可帶來多種優勢，透過利用SiC材料高度差異化的特性，設計出更高效、強健和緊湊的推進系統。
因此，可以將基於SiC的電力電子技術的主要優勢總結如下：
．提高功率密度，改善電動車動力系統的性能
．能在比傳統矽基元件更高的溫度下工作
．更大的載流能力
．更高的開關頻率
．高耐壓
．導熱率比矽高2~3倍
．更長的行駛里程
．充電更快
．降低成本
SiC功率元件的電流密度比矽功率元件高出5倍。這使得每晶片功率密度更高，從而實現了更小的元件和更緊湊的封裝。在不斷透過增加電池容量(即能量密度)降低電池成本的同時，電動車動力系統也在利用縮減尺寸、重量和成本來提高功率密度(定義為能量效率與整體尺寸之比)。實現這一目標的方法是最大限度地使用SiC功率開關，特別是在推進系統中的車載充電器(OBC)和牽引逆變器中。
此外，基於SiC的功率元件還能將開關頻率提高10倍，在牽引逆變器中至少可達到20kHz，在OBC中可達數百kHz。在這些更高的頻率下，電容器和電感器等被動元件的尺寸可以大大縮小，從而實現更小的整體系統。SiC可實現更高的耐壓、功率和開關效率，從而簡化大功率牽引逆變器的設計，並顯著降低損耗。
電動車系統工程師面臨的挑戰是，如何透過涉及電源轉換和WBG半導體的創新，最大限度地發揮高壓技術的潛力。電動車對更高可靠性和更高功率性能的需求不斷成長，因為效率的提高直接影響到每次充電續航里程的增加。然而，考慮到大多數牽引逆變器的效率已達到90%或更高，電動車設計人員要想大幅提高效率仍然非常困難。在電動車動力系統中使用SiC功率開關可實現更高的功率密度和開關效率。
此外，基於SiC的電力電子元件還能使電動車實現更長的行駛里程、更快的充電速度和更低的擁有總成本。還可利用SiC元件低功率損耗降低電池成本和尺寸。此外，更高的電壓可減少馬達繞組中對大量銅的需求，從而實現更小的馬達設計。這些元件尺寸和重量的減少有助於降低電動車的成本，從而大大有利於電動車的成本趨於平價，甚至優於傳統的內燃機汽車。在給定功率水準和電池容量的情況下，SiC功率元件的尺寸可以更小，從而形成具有整合推進系統的電動車子系統集群。在設計層面，透過消除或減少用於冷卻的機械塊，以及被動元件和外殼的材料用量，可以最大限度地降低系統成本。
總體而言，SiC電力電子技術正在產生巨大的全球影響。未來幾年SiC最大的細分市場肯定是電動車，這說明SiC技術市場的成長速度將超過電動車市場。
(參考原文：Why SiC Is at the Heart of E-Mobility，by Giordana Francesca Brescia)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2024年6月號