为什么 SiC 元件在电气化时代很重要

特斯拉在 Model 3 的牵引逆变器中采用了碳化硅 (SiC) MOSFET，牵引逆变器是一种将电池中的直流电转换为驱动电机所需的交流电的装置，而在这之后近五年，这种宽带隙 (WBG) 技术在改变电动汽车设计中的电力动态方面取得了长足的进步。

Exawatt 的一项研究预测，到 2030 年，70% 的乘用车辆将使用 SiC MOSFET。接下来，这种 WBG 半导体材料有望改变从风力涡轮机到工业电机到太阳能电池板的可再生能源设计。

除车辆电气化外，牵引逆变器等各种设备还不断转换、管理和调节风力发电场、太阳能和电网电气化中的能量流。

Infineon 的 SiC 器件是德国慕尼黑为期一年的试点项目的核心，旨在降低电车中的电机噪音。

但是，为什么 SiC 元件更适合电动汽车和光伏逆变器等可再生能源设计呢？在为车辆电气化和可再生能源系统服务的电源应用中，效率、可靠性和功率密度是设计工程师面临的持续挑战。然而，硅基元件在效率提高和系统成本降低方面大多已经达到极限。

另一方面，牵引动力装置、工业电机驱动和能源基础设施解决方案等设计需要高压开关技术来提高效率、减小系统尺寸和重量，并提高可靠性。这就需要一种新型的功率元件来提高系统效率、增强功率密度、减少电磁干扰、缩小系统尺寸和重量。进入 SiC 功率半导体。

以电动汽车为例，SiC 元件已经成为牵引逆变器、车载充电器 (OBC)、DC/DC 转换器和电子空调压缩机的关键设计因素。下文将深入探讨 SiC 半导体如何提高电动汽车动力系统和充电器的效率并减小尺寸。

SiC 为什么是电动汽车的支柱

为提高续航里程，电动汽车渴望增加车载电池的容量不足为奇。此外，电动汽车正在使用电压更高的 800 V 电池，以满足对更短充电时间的需求。因此，不出所料，汽车设计师迫切需要能够承受高电压、低损耗的电源设备。

SiC 元件可以承受高达 1200 V 及以上的电压，同时具有更高的导热性。此外，它们对高频的强劲处理导致电力系统中的无源元件更小。这就是 SiC 功率器件如何帮助提高效率并降低车辆重量和成本的方式。

除了从电源（电池）向车轴获取能量以保持车辆行驶的动力传动系统之外，最值得注意的邻近市场是电动汽车的车载充电。在该市场，转换器设备就像牵引逆变器，但作用相反：它们将墙壁上的交流电转换成直流电能，以适应电池的需要。

加州的一家汽车制造商 Lucid 在设计其首款豪华轿车电动车 Lucid Air 时，在主要车载充电装置中采用了 SiC MOSFET，该装置集成了 DC/DC 转换器和双向 OBC，以确保先进的功率因数校正电路能够在高开关频率下运行。

Rohm 的 SiC MOSFET 为 Lucid Air 的 Wunderbox 供电，这是一种主要的车载充电装置，集成了 DC/DC 转换器和双向 OBC。

采用 Rohm 的 SCT3040K 和 SCT3080K SiC MOSFET 也有助于 Lucid 缩小设计尺寸，并由于充电效率较高而降低功耗。Rohm 已针对汽车动力系统（如主驱动逆变器）优化其 SiC MOSFET。

然后是宇通集团在中国推出的电动公交车；这里，电动公交车的高效动力系统基于 StarPower 模块，该模块集成了 Wolfspeed 的 1,200-V SiC MOSFET。

超越电动汽车：可再生能源

虽然 SiC 正在重塑电动汽车的动力传动系统和 OBC 的功能，但它已经显示出为电气化应用服务的潜力，包括制热、通风和空调 (HVAC) 系统、电网和工业电机。简而言之，SiC 的前景比电动汽车大得多。

例证：全球光伏装机容量激增，取代了大约 600 家中型燃煤电厂。太阳能发电系统使用大量的逆变器，在这里，重量和尺寸是安装太阳能电池板的主要考虑因素。逆变器尺寸的减小可以显著降低安装和维护太阳能电池板所需的劳动力。

Midnite Solar 是一家位于华盛顿州阿灵顿市的替代能源产品生产商，该公司在太阳能充电控制器、双 MPPT 充电控制器、电池充电器/逆变器以及 120/240 V 逆变器/充电器中采用了 Rohm 的 SiC MOSFET。Midnite Solar 在尝试将逆变器用作充电器时（必须双向运行），最初尝试将 IGBT 对与另一个二极管结合使用。但这并不奏效，最终，SiC 解决了这一设计难题。

此外，Delta Energy Systems 在其太阳能逆变器中使用了 Wolfspeed 的 SiC MOSFET，以提高功率密度和能效，同时减轻逆变器的重量。