车用SiC-MOSFET的可靠性及散热、微型化、先进封装、多芯片集成和成本方面的研究

　前言为提升电能利用效率，电动汽车行业对更高功率密度、更小尺寸的功率半导体器件的需求日趋强烈。目前，功率半导体主要包括绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。传统的功率半导体器件大多采用硅基材料，硅基 IGBT 可承受更大的电压、更高的功率，广泛应用于新能源汽车的高压系统中，如主驱动电机的逆变器。硅基MOSFET因其高频特性好、开关速度快、成本较低，主要在汽车低压电器中使用，如电动座椅调节、电池电路保护、刷水器的直流电机、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）照明系统等。同时，硅基半导体固有的局限性（如开关损耗高、开关速度有限）导致硅基 IGBT 的开关频率限制在 20 kHz左右。

车用SiC-MOSFET的可靠性及散热、微型化、先进封装、多芯片集成和成本方面的研究https://mp.weixin.qq.com/s/NN171f1-p61Ac-3D5istCg随着半导体材料的快速发展，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代功率半导体材料具有更高的热导率、较大的相对介电常数、更快的电子饱和漂移速度、更高的熔点和更高的莫氏硬度，受到越来越多的关注。基于SiC材料制造的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC-Metal Oxide  Semiconductor Field Effect Transistor，SiC-MOSFET）相较于硅基功率半导体器件，具有更小的开关损耗、更高的开关速度、更小的尺寸、更高的击穿电压和更高的承受温度，可用于提高转换器和逆变器的效率、功率密度，节省车辆的空间。碳化硅半导体用于逆变器、DC/DC电源变换器和车载充电机（OnBoard Charger，OBC）时，较低的阻抗可以带来更小的损耗和部件尺寸。本文总结SiC-MOSFET在电动汽车不同应用场景中的特点，分析车用 SiC-MOSFET 技术面临的挑战，并结合车用 SiC-MOSFET 技术的最新进展分析其未来发展趋势。2      SiC-MOSFET在电动汽车上的应用优势SiC-MOSFET 作为功率半导体在电动汽车领域的主要应用场景如图 1 所示，包括用于驱动电机的牵引逆变器、DC/DC 电源变换器，以及用于交流充电的 OBC 及非车载充电设备，如直流快速充电站或无线充电，并已在部分电动汽车上实现了应用。
2.1            SiC-MOSFET在牵引逆变器上的应用优势相较于硅基半导体，SiC-MOSFET 因碳化硅材料具有更高的饱和电子漂移速度和更大的带隙，为更快的开关速度和更高的开关频率提供了可能。同时，较高的开关速度能够减小开关损耗，较小的接通电阻减少了 SiC-MOSFET 的传导损耗，从而使SiC-MOSFET 获得更高的效率和功率密度。目前，SiC-MOSFET 的峰值效率达到 98% 以上，功率密度达到 70 kW/L以上。Allca-Pekarovic 等分别采用硅基 IGBT 和 SiC-MOSFET 作为电动汽车牵引逆变器的功率半导体，发现与硅基 IGBT 逆变器相比，SiC-MOSFET 在一个驱动周期中可以减少 39.8% 的能量损失。此外，由于具备更高的承受温度、更好的散热能力、更高的机械强度，采用 SiC-MOSFET 的牵引逆变器的使用寿命可延长 80% 以上。Su 等发现，在车辆频繁起停的城市工况下，SiC-MOSFET逆变器较硅基逆变器具有能量损耗减少和可靠性提升的明显优势。较高的温度耐受性和更好的散热性能使 SiC-MOSFET 逆变器可以在较高的环境温度下实现高功率密度工作，这为简化逆变器及车辆冷却系统，甚至使用风冷逆变器提供了可能。2.2     SiC-MOSFET 在车载 DC/DC 电源变换器中的应用优势为确保车载 DC/DC电源变换器的最佳性能，须提供稳定的直流电压并响应负载的迅速变化。SiC-MOSFET应用于车载DC/DC电源变换器时具有以下优势：更低的开关和传导损耗可以获得更高的效率和功率密度，更高的介电强度可以使其在更高的电压下工作，更大的工作温度范围可以提高其在不同工作温度下的稳定性。Kreutzer 等开发了一种基于 SiC-MOSFET 的高效车载 DC/DC 电源变换器，其以15 kW的低功率工作时，功率转换效率达到 98%，以 100 kW 的高功率工作时效率达到99.7%，并能在800 V高电压下正常工作。基于SiC-MOSFET的车载DC/DC电源变换器的功率密度能够达到 43 kW/L，远大于硅基功率半导体 DC/DC 电源变换器的功率密度。基于 SiC-MOSFET 的 DC/DC电源变换器的尺寸可以进一步缩小，从而增大车内可用空间。2.3  SiC-MOSFET在OBC中的应用优势OBC是将动力电池与外部电源建立联系、进行电力传输的重要部件，目前，大多数纯电动汽车和插电式混合动力汽车都配备了OBC。随着电动汽车对快速充电需求的不断增长，大功率、高效率和小体积成为OBC的发展方向。使用SiC-MOSFET 作为 OBC 的功率半导体器件，可以提高功率密度、充电效率和散热能力，并减小空间占用。Li等提出一种采用SiC-MOSFET的6.6 kW电感-电感-电容器（LLC）的OBC，峰值效率超过96%，功率密度为 3.42 kW/L。Gong 等设计了一种基于SiC-MOSFET 的 OBC，在输入 240 V 交流电、输出400 V 直流电的工作条件下，峰值效率高达 98.9%，总谐波失真小于 2%。基于 SiC-MOSFET 的 OBC 的输出功率可达 22 kW、峰值效率达到 97%。同时，相较于硅基 OBC，采用 SiC-MOSFET 可使 OBC的体积减小 24%、质量减轻 28%，功率密度提高 72%以上。3　车用SiC-MOSFET技术面临的挑战尽管 SiC-MOSFET 性能优异，在电动汽车领域具有较高的应用价值，但与硅基 IGBT 相比，仍存在一些技术挑战。3.1　成本问题目前，SiC-MOSFET 的成本十分高昂，SiCMOSFET 模块的价格是硅基 IGBT 模块的 3~5 倍（参考2025年5月份消息wolfspeed拟申请破产保护，国产碳化硅器件是硅基 IGBT的1.3倍左右了）。SiC-MOSFET 在电动汽车上使用数量的增加，将导致整车成本上升、价格竞争力下降。值得注意的是，SiC-MOSFET应用于电动汽车功率转换部件时，可以减少除功率半导体之外的零部件成本，如散热系统成本。为了更好地评估引入SiC-MOSFET导致的成本提高情况，建立相应的 SiC-MOSFET 逆变器和转换器的成本模型。以电子元件分销商 DigiKey 的价格作为参考，对比硅基 IGBT 和 SiC-MOSFET 在汽车上应用的成本，逆变器的总成本如表1所示，逆变器与转换器的总成本如表 2 所示，OBC 成本如表 3 所示。综合来看，以 SiC-MOSFET 作为电动汽车功率半导体的成本较使用硅基IGBT的成本高。未来，随着技术的进步及 SiC 量产带来的成本下降，SiC-MOSFET很有希望取代硅基IGBT。