從建筑技術(shù)到客運(yùn)和貨運(yùn)，我們在日常生活的各個(gè)領(lǐng)域都面臨著巨大的動蕩。一個(gè)全新的話題是電動汽車。汽車制造商、工業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)攜手合作，實(shí)施全電動車輛和必要的基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，電動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)研究和測試了新的驅(qū)動概念。第一批混合動力和電動汽車現(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)動逆變器以驅(qū)動驅(qū)動電機(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
對于上述系統(tǒng)，電力電子在確保混合動力和電動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)備制造商對電力電子系統(tǒng)的要求對此類系統(tǒng)的開發(fā)人員來說是一個(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%的電能會以熱量的形式損失。一般來說，可以說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具有滿足這些市場趨勢要求的巨大潛力。
與硅半導(dǎo)體器件相比，SiC的電場強(qiáng)度高出近十倍（2.8MV/cm對0.3MV/cm）。這種非常堅(jiān)硬的SiC基板具有更高的電場強(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對應(yīng)物高兩個(gè)數(shù)量級。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，在電流流動和半導(dǎo)體元件的切換過程中會出現(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)特定的約束來定義。例如，電驅(qū)動器的開關(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源元件也存在損耗。
功率半導(dǎo)體與電感和變壓器等無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)損耗以及無源元件加起來就是系統(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，高開關(guān)頻率會導(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。可以說，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，市場上引入了幾種新的冷卻概念來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。這些冷卻概念通常成本高昂，有時(shí)會在應(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化了系統(tǒng)操作。
電力電子系統(tǒng)的小型化
基于電動汽車的應(yīng)用場景，汽車制造商對電力電子系統(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)航里程是混合動力和電動汽車普及的最大障礙之一。為了說服最終客戶（即車主）相信電動汽車，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)。這是為了簡化電動汽車的使用。但是快速充電意味著對于技術(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。