SMM10月20日讯：在SMM主办的2023SMM第三届电机年会暨（第五届）稀土永磁行业论坛-新能源电机论坛坛上，珠海英搏尔电气股份有限公司研发中心电驱产品总工程师刘宏鑫分析了SiC MOS与IGBT的对比及优缺点、SiC MOS在800V电控系统中开发技术、SiC MOS在电控系统中的应用、SiC MOS在新能源汽车上的应用趋势及问题等内容。
SiC MOS与IGBT的对比及优缺点分析
高开关频率
SiC更高的开关频率，开关频率更高，最高100MHz，远高于IGBT的100kHz。
带来的优点：减小薄膜电容、磁性元件的容量及体积，可实现电驱动系统小体积、轻量化及优良的NVH指标。
高工作电压、高温度、低损耗
SiC更高的工作电压，非常适合800V及以上电驱动系统，满足车辆快速充电。
SiC更高的工作温度，可靠性更高。
其自身的工作温度可达600°C，远高于IGBT的250°C，但受制于封装材料限制，目前工作温度限制在175°C。
SiC更低的开关损耗，减少散热器体积达30%以上。
在25°C结温下，SiC关断损耗大约是IGBT的20%；在175°C结温下，SiC关断损耗大约是IGBT的10%。
高CLTC/NEDC系统效率
SiC给电驱系统带来的优势：
（1）增加续航里程
SiC器件可以降低开关损耗，能够增加5-10%续航里程。
（2）实现轻量化
得益于SiC的优越性能，可减小MCU体积，以英搏尔设计的SiC逆变器为例，电机控制器尺寸减小约40%。
（3）目前长续航车型 可实现整车降本
现在SiC器件的价格是IGBT的3-5倍，两年内，预计会降低到2-3倍；在同等续航里程的情况下，电池可节约5%，综合降低了整车成本及使用成本。
模块与单管
1、模块内部也是由多个小芯片的并联组成的；单管方案是通过对称层叠母排实现并联的。
2、模块内部，并联芯片的主电路引线长短不一，导致主电路电感及电阻不一致，动静态均流一致性差；单管通过层叠母排并联克服了上述问题，动静态均流效果好。
3、模块内部的多个并联芯片的驱动电路长短不一，分配到每个芯片的驱动信号差异较大，可靠性降低；单管并联可采用分布式驱动，克服了上述不足。
4、采用模块的驱动系统，薄膜电容与模块的连接属于外挂结构，导致远端芯片的尖峰电压较高，限制了系统的最高工作电压，降低系统的可靠性；单管并联驱动系统，通过层叠母排，使得每组单管均就近拥有分布的薄膜电容，尖峰电压非常低；在同等电池电压800V时，单管结构仅需要1000V耐压，而模块则需要1200V耐压。
SiC MOS在800V电控系统中开发技术
主电路
采用模块的MCU优点：
1、应用设计简单；2、产品开发周期较短；
采用模块的MCU缺点：
1、结构固定，灵活性差；2、电压利用率低；3、电流过载能力较差；4、成本较高；
采用单管并联的MCU优点：
1、布局灵活；2、功率扩展灵活；3、功率密度更高；4、EMC性能好；5、过载能力强；6、Z向高度极低；7、成本较低；
采用单管并联的MCU缺点：
1、技术难度较大；2、工艺难度较大；
保护
短路故障是导致SiCMOSFET失效的重要原因之一，尽管SiC MOSFET具有较好的导热性能，但与Si器件和SiC MOSFET的短路性能相比，SiC MOSFET的短路保护在以下几个方面更具挑战性。
（1）在相同额定电流容量下，SiC MOSFET芯片面积小，电流密度高，这就导致SiC MOSFET短路承受能力较弱；
（2）在短路工况下，SiC MOSFET较弱的界面质量会带来栅极氧化层可靠性问题，由于SiC MOSFET需要更高的正向栅极偏压，栅电场的增高会进一步加剧短路时栅极氧化层退化问题；
（3）为了确保SiC MOSFET可靠运行在安全工作区内，其较弱的短路承受能力就要求短路保护电路具有更快地响应速度。然而，与Si器件相比，SiC MOSFET 的结电容更小、开关速度更高。SiC MOSFET独特的正温度系数跨导导致其开通时的di/dt和dV/dt随着结温的升高均增大。在较高的di/dt和dV/dt条件下，SiC MOSFET 短路保护电路的快速响应与抗噪声能力难以兼顾。
SiC MOS在电控系统中的应用
新型控制方案
（1）采用SIC实现高效buck/boost交错并联装置；（2）MCU采用IGBT，实现成本均衡；（3）根据电机运行速度决定母线电压，控制目标电机系统效率最高；（4）高效母线电压自动控制模式，将系统效率提升5-10%以上（解决高速续航里程低、低速效率低问题），相比SIC成本低，效益突出。
SiC MOS在新能源汽车上的应用趋势及问题
SOP顺序
综合SiC器件的成本和因节能而减小的电池容量降低而带来系统成本降低，从经济可行性角度，在车辆电驱动系统中批量使用顺序如下：
首先，SiC将会在电池容量大于200度电的车型上批量使用，比如大巴车、重卡等；
其次，SiC将会在带有BUCK-BOOST的混合动力控制器和氢燃料电池系统中使用；
再次，SiC将会在所有乘用车中从高级别到低级别逐步普及。
