2023 年以碳化硅 （SiC） 半導體在電動汽車 （EV） 牽引逆變器中的兩項重大設計勝利開始，牽引逆變器位于 EV 中的高壓電池和電動機之間，可將來自電池的直流電轉換為 EV 電動機使用的交流電。 首先，2023 年 1 月 4 日，onsemi 宣布其 SiC 模塊將為起亞 EV6 GT 車型的牽引逆變器供電，實現從 800 V 直流電池到后橋交流驅動的高效功率轉換。值得一提的是，2022年12月，意法半導體宣布其SiC模組已納入現代電動全球模組平臺（E-GMP），起亞EV6等多款車型共享。 后來，2023年1月10日，2010年開始量產SiC MOSFET 的Rohm Semiconductor 宣布其 SiC MOSFET 和柵極驅動器 IC 將為日本汽車零部件供應商 Hitachi Astemo 開發的 EV 逆變器提供動力。柵極驅動器 IC 是 EV 逆變器中的重要組件，它在逆變器控制微控制器 （MCU） 和向逆變器供電的 SiC MOSFET 之間提供接口。柵極驅動器 IC 在低壓域中接收來自 MCU 的控制信號，并傳輸這些信號以快速打開和關閉高壓域中的功率器件。 SiC 半導體在DC/DC 轉換器、牽引逆變器和車載充電器 （OBC） 等電動汽車系統中得到廣泛采用 。本文將解釋 SiC 半導體和模塊如何重振牽引逆變器，這是車輛電氣化的基本組成部分。根據 Research and Markets 的數據，到 2028 年，全球牽引逆變器行業預計將達到 390 億美元。
800 伏系統逆變器中的碳化硅
雖然將典型 400 V 電池的電壓加倍可為 EV 帶來巨大好處，但對于依賴硅 （Si） MOSFET 和 IGBT 的 EV 逆變器來說，在更高電壓下的性能會受到影響。因此，汽車設計企業正在用 SiC 取代傳統的 Si 功率器件。SiC 是一種寬帶隙半導體，可以實現更快的開關速度并且可以在更高的溫度下工作。與對應的 Si 器件相比，SiC 器件更小并且可以承受更高的工作電壓。 以汽車解決方案供應商 Delphi Technologies 為例，該公司在轉向 800 V 電池系統時，在 EV 逆變器中采用了Wolfspeed的 SiC MOSFET。這使得Delphi能夠開發出比競爭對手的逆變器輕 40%、緊湊 30% 的逆變器。 SiC 功率開關是Delphi逆變器設計的核心，有助于實現更高水平的雙面冷卻集成。這顯著降低了 SiC 組件與冷卻系統設計之間的熱阻。這是電動汽車等高功率應用的一個重要方面，在這些應用中，功率模塊的散熱至關重要。 與硅基逆變器相比，冷卻系統與 SiC MOSFET 的高效接口導致功率系統更輕、更小、成本更低。因此，在 EV 逆變器中，基于 Si IGBT 的功率開關正越來越多地被 SiC MOSFET 取代，SiC MOSFET 可將開關損耗降低多達 70%，從而提高電氣化推進系統的性能并降低成本。 除了更高的開關效率和更高的結溫能力外，SiC MOSFET 還提供改進的短路耐受時間和更低的導通電阻。與 Si IGBT 相比，這進一步降低了功耗。Rohm聲稱，根據國際標準WLTC燃油效率測試計算，其第四代SiC MOSFET與主逆變器中的IGBT相比，功耗降低了6%。
從 Si IGBT 到 SiC MOSFET
在牽引逆變器（電動汽車設計中的一個重要組成部分）中，像 IGBT 這樣的開關設備最初管理電源，因為逆變器將直流電轉換為電動汽車電機的交流電。多年來，工程師們意識到逆變器在 EV 性能和續航里程方面發揮著關鍵作用。在這里，節能組件可以以更高的效率從電池中提取更多能量，從而延長續航里程并減小車載電池的尺寸。 接下來，雖然電動汽車的續航里程以及電池尺寸和重量一直是一個關鍵問題，但當電動汽車從 400V 電池系統轉向 800V 電池系統時，汽車工程師開始尋找能夠有效處理更高工作電壓和溫度的組件。就在那時，SiC MOSFET 成為牽引逆變器等電動汽車構建模塊的首選技術。 據Delphi科技首席執行官 Richard F. Dauch 稱，與 400 V 系統相比，基于 SiC 的逆變器可使高達 800 V 的電氣系統顯著延長 EV 續航里程并將充電時間減半。“將電壓從 400 V 提高一倍可以為汽車用戶和制造商帶來廣泛的好處，”他說。 onsemi 執行副總裁兼電源解決方案事業部總經理 Simon Keeton 詳細闡述了基于 SiC 的動力牽引解決方案的優勢。“高密度 SiC 器件最大限度地減少了寄生效應和熱阻，”他說。“這會減少與直流到交流轉換相關的功率損耗，同時減小牽引逆變器的尺寸和重量。” 根據行業研究公司 IHS Markit 的數據，到 2025 年，全球高達 45% 的汽車生產將實現電氣化，每年將售出約 4600 萬輛電動汽車。據估計，到 2030 年，這些數字將上升到 57%，每年的電動汽車銷量約為 6200 萬輛。 雄心勃勃的汽車電氣化之路首先需要高壓功率器件。在這里，SiC 半導體因其更快的開關速度和支持更高的電壓和溫度而被公認為一種技術選擇。 隨著全球對汽車電氣化的推動，這使得 SiC 成為 2023 年及以后值得關注的技術。
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