从建筑技术到客运和货运，我们日常生活的方方面面都面临着巨大的变革。在此背景下，一个全新的概念正在兴起：电动出行。汽车制造商、工业企业和研究机构正携手合作，致力于开发纯电动汽车及必要的配套基础设施。过去一年，人们对电动汽车的期望显著提升。近年来，多家公司对新型动力系统进行了研发和测试。首批混合动力和纯电动汽车车型已上市销售。一些传统柴油/汽油汽车中不曾采用的新型部件，例如电力系统，如今也正被集成到汽车中。.
此类系统的一些例子包括：
- 用于电机控制的逆变器（最大功率 300 kW）
- 电池充电器（车载充电器），功率范围从 3.6 kW 到 22 kW
- 感应式充电（无线充电），功率范围从 3.6 kW 到 22 kW
- 直流/直流转换器，最大功率 5 kW
- 用于辅助单元（例如空调系统、动力转向系统、水泵等）的逆变器。
在上述系统中，电力电子技术在确保混合动力汽车和电动汽车的功能方面起着决定性作用。
碳化硅（SiC）是一种高效的半导体材料。
汽车行业的原始设备制造商（OEM）对电力电子系统的要求，对系统开发商而言是一项重大挑战。具体而言，空间、重量和效率是关键的考虑因素。此外，系统总成本和产品设计阶段所需的工作量必须尽可能低；同时，产品质量和安全运行也必须得到保证。
传统电力电子器件的效率基于硅半导体技术，通常在85%到95%之间。这意味着每次能量转换过程中，大约有10%的电流以热量的形式损失掉。一般来说，电力电子器件的效率很大程度上受限于功率半导体的性能。由于其独特的物理特性，半导体材料碳化硅（SiC）具有巨大的潜力来满足这些市场趋势的需求。
与硅半导体器件相比，碳化硅的电场强度几乎高出十倍（2.8 MV/cm 对比 0.3 MV/cm）。这种高电阻碳化硅衬底具有更高的电场强度，因此可以在碳化硅结构上应用更薄的层状结构，即外延层。这相当于硅外延层厚度的十分之一。在相同的阻断电压下，SiC 的掺杂浓度可以比硅高两个数量级。因此，器件的表面电阻 (RonA) 降低，从而显著减少相位损耗。
热设计在电子电源系统中起着至关重要的作用，它有助于设计高功率密度，进而实现紧凑型系统。作为一种半导体材料，SiC 非常适合这些应用，因为其导热系数几乎是硅半导体器件的三倍。与硅半导体相比，SiC 也适用于更高的工作温度。
半导体器件的能量耗散：
在电力电子系统的运行过程中，电流流动和半导体器件的开关动作都会造成能量损耗。电力电子系统的总能量损耗包括静态损耗和开关损耗。静态损耗主要发生在功率器件导通时。开关损耗则是由半导体器件的开关动作引起的。运行过程中开关频率越高，开关损耗也越大。
电力电子系统的开关频率通常根据其应用和具体的系统限制来确定。例如，电机驱动器的开关频率取决于电机所需的输出频率。此外，还必须考虑其他因素来确定合适的开关频率，例如整个系统的谐振特性、电磁兼容性（EMC）和散热管理。除了功率半导体器件的能量损耗外，电路中的无源元件（例如变压器、电感器和电容器）也会产生损耗。功率半导体器件与电感器和变压器等无源元件之间的相互作用是实现系统高功率密度的关键因素。因此，在设计电力电子系统时，必须考虑无源元件和半导体的物理特性。
静态损耗和开关损耗，以及无源元件的损耗，都会造成系统总能量损耗，这些损耗会转化为热量。产生的热量必须通过合适的冷却介质散发，以确保元件和系统的可靠性。原则上，开关损耗发生在单个开关过程中，例如半导体器件的开关动作。开关频率的增加会导致总开关损耗的增加，进而显著影响总能量损耗。在某些车辆电力电子系统中，为了满足系统要求或规范，通常需要较高的开关频率。在这样的系统中，开关损耗将占系统总能量损耗的很大一部分。如果在这些高开关频率的应用中使用硅半导体，则高功率耗散和由此产生的热量会迫使系统开发人员确保系统的功能性和可靠性。换句话说，高开关频率意味着更低的功耗。然而，如果这些应用需要高负载电流，则系统的整体尺寸必须相应增加。目前来看，采取这一措施是不可避免的，但这并不能满足最终用户的期望。可以说，硅半导体几乎已经达到了其性能极限。
在以高开关频率为特征的应用中，比较碳化硅MOSFET和硅IGBT时，由于硅IGBT的高开关损耗和由此产生的发热，必须降低其输出电流。这是避免芯片超过最高工作温度并保证半导体功能的唯一方法。
图表文字：竞争对手；开关频率（kHz），SiC 在更高的开关频率下可提供更高的负载电流。负载电流（Arms）。
使用 SiC 后，一切都截然不同。SiC 半导体比硅 IGBT 具有更好的开关性能。因此，SiC 在更高的开关频率下可降低开关损耗。因此，与硅 IGBT 相比，在高开关频率应用中可以获得更高的负载电流。
图 2 比较了 SiC 半桥模块 (BSM300D12P2E001) 和同一制造商的四种不同的 IGBT 模块。.
这张图清晰地表明，在高开关频率下，SiC MOSFET 比硅 IGBT 效率更高。当使用 300A IGBT 模块，开关频率为 40 kHz 时，该应用中无法实现超过 80 Arms 的负载电流。相比之下，使用 300A Rohm SiC 模块可以实现 200 Arms 的负载电流。这比硅 IGBT 的负载电流提高了 120%。
为了开发紧凑型电力电子系统，电力电子开发人员必须采用最佳冷却方案。过去几年，市场上出现了几种新的冷却方案来应对这些挑战；然而，这些方案通常非常昂贵，有时还会给应用带来问题。这些问题不仅出现在开发阶段，也出现在生产和运行阶段。由于使用了像 SiC 这样高效的半导体材料，可以省去这种复杂的冷却过程，从而降低冷却成本并简化系统操作。
电力电子系统小型化：
汽车制造商以电动汽车应用场景为参考，对电力电子系统提出了诸多要求。例如，这些要求包括耐温差、抗振、在不同温度下可靠运行以及长使用寿命。此外，汽车制造商现在认为集成系统中的高功率密度至关重要。然而，所有这些要求都对电力电子技术提出了巨大的挑战。
高压电池的续航里程是混合动力汽车和电动汽车推广应用的最大障碍之一。为了说服终端用户（即车主）接受电动出行，一些汽车制造商目前正致力于开发旨在简化电动汽车使用的快速充电系统。然而，从技术角度来看，快速充电意味着需要在短时间内实现更高的充电性能才能充满电池。由于车辆内部空间有限，电池充电系统必须具备高功率密度。这是在满足市场需求的同时将这些系统集成到车辆中的唯一途径。
车载充电器是由各种能量转换组件组成的复杂系统。这些系统集成了多种组件，例如半导体（如二极管和 MOSFET）、无源元件（如电感器和电容器）以及匝数比合适的变压器，用于将电池充电至所需电压。该变压器还用于在充电期间对高压电池进行电气隔离。
小型化电力电子器件的一种方法是使电感器和变压器等无源元件更加紧凑。这通常只有在电路中使用的半导体能够以高开关频率控制时才可行。对于硅半导体而言，高开关频率产生的热负载会限制这种方法。相比之下，SiC MOSFET 因其优异的开关特性而成为这些应用的理想选择。
图 3 通过一个例子说明了这一点：对于使用硅半导体的 DC/DC 转换器，开关频率限制在 25 kHz。而使用 SiC MOSFET，可以实现 160 kHz 的开关频率。这显著提高了整个系统的绕组质量，同时实现了高功率密度和显著降低整体重量。
重量 – 硅半导体系统 – 碳化硅半导体系统
体积 – 芯片尺寸
碳化硅 (SiC) 半导体的优势终于得到了汽车制造商的认可。首批产品，特别是罗姆 (Rohm) 的 SiC 二极管，已被应用于全球多款量产车型的车载充电系统。罗姆还将很快推出全球首款车规级 SiC MOSFET。除了电池充电系统，SiC 半导体在 DC/DC 转换器和驱动逆变器等应用领域也展现出巨大的潜力。罗姆针对这些应用提供了专门的解决方案。罗姆
第二代 SiC 肖特基势垒二极管 (SBD) 目前包括 650V、5 至 100A 的产品，以及 1200V 和 1700V、最高 50A 电流容量的产品。罗姆的 SiC MOSFET 产品线更加丰富，提供两种不同的技术：平面型和双沟槽型。平面技术已提供电压范围为 650V、1200V 和 1700V 的分立器件和模块，电流容量高达 300A。ROHM
正在量产用于分立器件的第三代 SiC MOSFET，以及采用其专有双沟槽技术的完整 SiC 模块，从而扩展现有的 MOSFET 产品系列，并为高效可靠的电力电子产品的发展做出贡献。
作者：Aly Mashaly，ROHM Semiconductor GmbH 电源系统部门经理
