SiC MOSFET属于第三代宽禁带功率半导体，目前各大半导体厂商包含国产功率模块厂商，都纷纷投入重金进行SiC MOSFET产品的开发。相比于以Si材料为主的第二代功率半导体，SiC MOSFET有着明显的优势，如图1所示。(1)耐高温。SiC材料在物理特性上拥有高度稳定的晶体结构，其能带宽度可达2.2－3.3eV，达到Si材料的2倍以上。因此，SiC材料所能承受的温度更高，一般而言，SiC器件所能达到的最大工作温度为600℃，但受限于封装材料，目前可用的SiCMOSFET的耐温可以做到175℃(个别厂家的封装技术可以做到200℃)，相比于第二代功率半导体的150℃有了一定的提升。(2)高阻断电压。与Si材料相比，SiC材料的击穿场强是Si材料的10倍多，因此SiC器件的阻断电压比Si器件高很多。(3)低损耗。一般而言，半导体器件的导通损耗与其击穿场强成反比，故在相似的功率等级下，SiC器件的导通损耗比Si器件小很多。并且，SiC器件导通损耗对温度的依存度很小，随温度的变化也很小，这与传统的Si器件也有很大差别。(4)开关速度快。SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍，饱和电子漂移率是Si的2倍，所以SiC器件能在更高的频率下工作。从这4个方面可以看出，SiC器件要比Si器件有着更低的导通损耗、更高的工作频率和更高的工作电压。随着新能源汽车的发展，对于电驱动系统而言，更高的效率、更高的工作电压和更高的功率密度等要求，都意味着SiCMOSFET是未来电驱动系统最重要的发展方向之一。1. SiC MOSFET的产业链现状虽然SiCMOSFET具备上述优势，但目前在市场上的应用并未普及，其主要原因在于SiCMOS-FET现阶段的成本依然较高。在2021年量产的车型中，仅有特斯拉的Model3和比亚迪的“汉”搭载了SiCMOSFET器件。图2为SiC产业链的主要公司信息，目前具备成熟的SiC底材生成能力的供应商都被国际半导体生产商所掌控，包括Wolfspeed、SiCrystal、NOＲ-STEL等，国外半导体厂商掌握着SiC底材的定价权。目前，国内的公司，如三安光电(Sanan)等在底材生成、模块设计和封装环节也具备了一定的能力，但整体距离世界一流水平还有一定差距。SiCMOSFET的成本较高，还有一个重要原因在于衬底生长缓慢、产量低且良品率低。但是，很多厂家对其成本的降低都有着很乐观的预期，预计在2035年成本会大幅降低，可以达到Si器件价格的1.5倍左右，届时SiC器件将会迎来大规模的应用。2. SiC MOSFET应用的优势与挑战SiCMOSFET在实际应用过程中，可以实现更快的开关速度和更高的效率，但其快速的开关速度对驱动电路的设计提出了较高的要求，尤其是整个系统的杂散电感，在快速的开关速度下会造成较大的EMC冲击。本文以英飞凌HPDrive封装的FS03MＲ12A6MA1B(简称FS03)模块为例(见图3)，对SiCMOSFET应用的优势和挑战进行详细阐述。2.1 SiC MOSFET逆变器FS03MＲ12A6MA1B是英飞凌公司的新一代CoolSiC汽车级1200VMOSFET，具有较低的开关损耗和导通电阻，模块的杂散电感小于10nH，可连续工作温度为150℃。基于FS03MＲ12A6MA1B，开发了一款800V平台下的SiCMOSFET逆变器，能够实现峰值电流450Arms，峰值功率300kW，功率密度达到37.5kW/L。在设计中，相比于HPDrive封装的FS380Ｒ12A6T4B(简称FS380)SiIGBT，匹配和优化了电源系统、保护电路、寄生电感等部分，如图4所示。图5为该逆变器在450Arms下的电流波形和热成像结果。2.2 SiC应用的优势通过实际测试，得到不同电流下，SiCMOSFET和同样规格的IGBT的电气特性对比，如表1所示。从表1中可以看出，SiCMOSFET(FS03)要比IGBT(FS380)在开关损耗上有明显的降低，下降了约30%。其中，在800V电压380A电流的工况下，SiCMOSFET(FS03)开关损耗下降了30.2%;在800V电压450A电流的工况下，开关损耗下降了32.6%。两种工况下关断损耗的下降更为明显，都超过了47%。为了更加直观地比较两种功率器件对车辆续航的影响，以一辆B级后驱车为例，进行CLTC综合续航的效率和续航里程仿真。仿真结果如表2所示，可以看出采用了SiCMOSFET器件后，平均驱动效率提升了3.53%，平均发电效率提升了3.47%，综合续航提升了8.6%。对于纯电动汽车而言，将有着非常大的收益。对于一辆使用80kW·h电池包的纯电动车辆，使用SiC器件就相当于节约了6.88kW·h的电池，或者在使用同样电池的情况下，使用SiC器件就会有8.6%的续航提升。2.3 SiC应用的挑战SiCMOSFET在效率和续航方面拥有一定的优势，但是在电气性能方面依然存在着很大的挑战。由于其更快速的响应能力，很容易发生电流和电压的震荡。图6为SiCMOSFET模块开关电流和电压振荡曲线，其中(a)为开通电流振荡，(b)为关断电压振荡，(c)为二极管振荡电压，其尖峰控制到了856V。从这3幅图可以明显地看出SiCMOSFET开关时刻的电气振荡要比IGBT严重得多，这些特性对于汽车级应用和EMC方面都存在很大的挑战。3. 结语本文对SiC材料的特性进行了阐述，SiCMOS-FET在性能上有着非常突出的优势，未来对于纯电动汽车的续航提升起着至关重要的作用。同时，针对SiC的产业链进行了一定的分析，由于国际少数供应商把控SiC底材的定价权和SiC衬底良品率低等原因，目前SiC器件的成本相比于IG-BT还比较高，预计在2035年成本会大幅降低，届时SiCMOSFET将迎来大规模的应用。
