電源轉(zhuǎn)換效率對(duì)于新能源的部署和采用至關(guān)重要，包括太陽(yáng)能和電池供電的應(yīng)用。在最近的 ST 開(kāi)發(fā)者大會(huì)上，ST 的 Alfredo Arno概述了電子功率元件，比較了用于功率轉(zhuǎn)換的硅和新型寬帶隙材料，重點(diǎn)介紹了 ST 用于電動(dòng)汽車(chē)的碳化硅（SiC） 分立產(chǎn)品和模塊。

事實(shí)上，電氣化增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一是交通運(yùn)輸——據(jù)估計(jì)，世界上超過(guò) 20% 的能源用于交通運(yùn)輸系統(tǒng)。

用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)的 SiC 組件

在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)正在迅速普及。這些汽車(chē)的獨(dú)特之處之一是它們包含的高壓系統(tǒng)的數(shù)量。高壓電池的電壓范圍為 400 至 800 伏，許多其他電氣系統(tǒng)以不同的方式為該電池供電。這些系統(tǒng)包括輔助電源、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器以及電池管理系統(tǒng)本身。牽引逆變器為電機(jī)供電，對(duì)于車(chē)輛在需要充電之前可以運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間至關(guān)重要。此外，車(chē)載充電器補(bǔ)充電池：我們可以放入電池的電量越大，充電速度就越快。電子功率元件在每個(gè)系統(tǒng)中都很重要，不僅因?yàn)樗鼈兲峁┑男阅?，還因?yàn)樾剩簩?duì)于電動(dòng)汽車(chē)，尺寸、重量和體積很重要，因?yàn)檫@是一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)，更高效的系統(tǒng)可能更輕、更多緊湊，在引擎蓋下需要更小的占地面積。

混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)包含許多高壓系統(tǒng)

為滿足高壓電氣系統(tǒng)對(duì)高性能、高效率組件的要求，意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了一系列基于碳化硅的 MOSFET 和二極管，非常適合需要在緊湊型中實(shí)現(xiàn)高電壓和高密度功率轉(zhuǎn)換的汽車(chē)應(yīng)用包裹。

碳化硅具有許多材料特性，使其成為汽車(chē)級(jí)電子元件的絕佳選擇。碳化硅的寬帶隙能量是傳統(tǒng)硅的三倍，這種更大的帶隙使 SiC 器件能夠在更高的電壓和更高的溫度下更有效地工作。SiC 器件還具有比硅快兩倍的電子飽和速度，可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。然后，硅的介電常數(shù)比碳化硅低約 20%，這實(shí)際上有助于提高效率，因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，它會(huì)將寄生電容降低相同的數(shù)量。

碳化硅組件：更小、更冷、更高效

寬帶隙的一個(gè)功能，使碳化硅具有優(yōu)勢(shì)的真正重要屬性是其臨界電場(chǎng)強(qiáng)度為每厘米 3 兆伏，而硅的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度為每厘米 0.2 兆伏。這意味著碳化硅提供的臨界電場(chǎng)能力是傳統(tǒng)硅的 10 倍以上。這一點(diǎn)，連同 SiC 的其他幾個(gè)特性（在此詳述），使 ST 能夠制造出比硅更小、更高效的基于碳化硅的器件。

碳化硅的導(dǎo)熱性也比硅高約三倍，從而能夠更快地從組件中散熱。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)殡S著硅基器件的面積越來(lái)越小，將電轉(zhuǎn)換過(guò)程產(chǎn)生的熱量提取出來(lái)變得越來(lái)越困難，而碳化硅的散熱效果更好。盡管如此，設(shè)計(jì)師還可以做其他事情，包括提高設(shè)備本身的效率，以減少產(chǎn)生的熱量。此外，由于碳化硅具有更高的導(dǎo)熱性，因此更容易有效地提取產(chǎn)生的熱量。

與同等硅解決方案相比，SiC 解決方案更小、更冷且更高效

簡(jiǎn)而言之，碳化硅讓功率器件超越了硅的極限。與傳統(tǒng)硅一樣，碳化硅的制造和加工更具挑戰(zhàn)性，但它對(duì)高性能功率轉(zhuǎn)換的許多有利特性使其成為非常值得的替代品。

審核編輯：郭婷