車用SiC-MOSFET的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展綜述

【摘要】針對硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）難以進(jìn)一步滿足電動汽車高功率密度、低導(dǎo)通損耗、高散熱能力等需求的不足，綜述了車用碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiC-MOSFET）的最新研究進(jìn)展。通過總結(jié)SiC-MOSFET在電動汽車牽引逆變器、DC/DC電源變換器和車載充電機(jī)（OBC）應(yīng)用場景下的特點，分析了目前車用SiC-MOSFET在成本、可靠性及散熱方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，并探討了其在微型化、先進(jìn)封裝、多芯片集成和成本方面的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電動汽車 碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 功率半導(dǎo)體芯片 導(dǎo)通損耗 轉(zhuǎn)換效率

中圖分類號：U469.72" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240189

A Review of SiC-MOSFET in Electric Vehicles： Application"and Technology Development

Li Zun， Zhang Zheng， Wu Yizhuo， Wang Xueyao

（Shaanxi Fast Gear Co.， Ltd.， Xi’an 710119）

【Abstract】In response to the difficulty of silicon-based Insulated Gate Bipolar Transistor （IGBT） in meeting the high power density， low conduction loss and high heat dissipation requirements of electric vehicles， this paper reviews the latest research progress on Silicon Carbide-Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor （SiC-MOSFET） for automotive applications. By summarizing the characteristics of SiC-MOSFET in the application scenarios of electric vehicle traction inverters， DC/DC power converters and On-Board Chargers （OBC）， this paper analyzes the current technical challenges of SiC-MOSFET in terms of cost， reliability as well as heat dissipation， and explores their future development trends in miniaturization， advanced packaging， multi-chip integration and cost.

Key words： Electric vehicle， SiC-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （SiC-MOSFET）， Power semiconductor chip， Conduction loss， Conversion efficiency

1 前言

為提升電能利用效率，電動汽車行業(yè)對更高功率密度、更小尺寸的功率半導(dǎo)體器件的需求日趨強(qiáng)烈。目前，功率半導(dǎo)體主要包括絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。

傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件大多采用硅基材料，硅基IGBT可承受更大的電壓、更高的功率，廣泛應(yīng)用于新能源汽車的高壓系統(tǒng)中，如主驅(qū)動電機(jī)的逆變器。硅基MOSFET因其高頻特性好、開關(guān)速度快、成本較低，主要在汽車低壓電器中使用，如電動座椅調(diào)節(jié)、電池電路保護(hù)、刷水器的直流電機(jī)、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明系統(tǒng)等[1]。同時，硅基半導(dǎo)體固有的局限性（如開關(guān)損耗高、開關(guān)速度有限）導(dǎo)致硅基IGBT的開關(guān)頻率限制在20 kHz左右[2]。

隨著半導(dǎo)體材料的快速發(fā)展，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代功率半導(dǎo)體材料具有更高的熱導(dǎo)率、較大的相對介電常數(shù)、更快的電子飽和漂移速度、更高的熔點和更高的莫氏硬度[3]，受到越來越多的關(guān)注?；赟iC材料制造的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiC-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，SiC-MOSFET）相較于硅基功率半導(dǎo)體器件，具有更小的開關(guān)損耗、更高的開關(guān)速度、更小的尺寸、更高的擊穿電壓和更高的承受溫度，可用于提高轉(zhuǎn)換器和逆變器的效率、功率密度，節(jié)省車輛的空間。碳化硅半導(dǎo)體用于逆變器、DC/DC電源變換器和車載充電機(jī)（On-Board Charger，OBC）時，較低的阻抗可以帶來更小的損耗和部件尺寸[4-5]。

本文總結(jié)SiC-MOSFET在電動汽車不同應(yīng)用場景中的特點，分析車用SiC-MOSFET技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并結(jié)合車用SiC-MOSFET技術(shù)的最新進(jìn)展分析其未來發(fā)展趨勢。

2 SiC-MOSFET在電動汽車上的應(yīng)用優(yōu)勢

SiC-MOSFET作為功率半導(dǎo)體在電動汽車領(lǐng)域的主要應(yīng)用場景如圖1所示，包括用于驅(qū)動電機(jī)的牽引逆變器、DC/DC電源變換器，以及用于交流充電的OBC及非車載充電設(shè)備，如直流快速充電站或無線充電[6]，并已在部分電動汽車上實現(xiàn)了應(yīng)用[7-9]。

2.1 SiC-MOSFET在牽引逆變器上的應(yīng)用優(yōu)勢

相較于硅基半導(dǎo)體，SiC-MOSFET因碳化硅材料具有更高的飽和電子漂移速度和更大的帶隙，為更快的開關(guān)速度和更高的開關(guān)頻率提供了可能。同時，較高的開關(guān)速度能夠減小開關(guān)損耗，較小的接通電阻減少了SiC-MOSFET的傳導(dǎo)損耗，從而使SiC-MOSFET獲得更高的效率和功率密度。目前，SiC-MOSFET的峰值效率達(dá)到98%以上，功率密度達(dá)到70 kW/L以上[10-11]。Allca-Pekarovic等[12]分別采用硅基IGBT和SiC-MOSFET作為電動汽車牽引逆變器的功率半導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn)與硅基IGBT逆變器相比，SiC-MOSFET在一個驅(qū)動周期中可以減少39.8%的能量損失。

此外，由于具備更高的承受溫度、更好的散熱能力、更高的機(jī)械強(qiáng)度，采用SiC-MOSFET的牽引逆變器的使用壽命可延長80%以上[13]。Su等[14]發(fā)現(xiàn)，在車輛頻繁起停的城市工況下，SiC-MOSFET逆變器較硅基逆變器具有能量損耗減少和可靠性提升的明顯優(yōu)勢。較高的溫度耐受性和更好的散熱性能使SiC-MOSFET逆變器可以在較高的環(huán)境溫度下實現(xiàn)高功率密度工作，這為簡化逆變器及車輛冷卻系統(tǒng)，甚至使用風(fēng)冷逆變器提供了可能[15]。

2.2 SiC-MOSFET在車載DC/DC電源變換器中的應(yīng)用優(yōu)勢

為確保車載DC/DC電源變換器的最佳性能，須提供穩(wěn)定的直流電壓并響應(yīng)負(fù)載的迅速變化。

SiC-MOSFET應(yīng)用于車載DC/DC電源變換器時具有以下優(yōu)勢：更低的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗可以獲得更高的效率和功率密度，更高的介電強(qiáng)度可以使其在更高的電壓下工作，更大的工作溫度范圍可以提高其在不同工作溫度下的穩(wěn)定性。Kreutzer等[16-17]開發(fā)了一種基于SiC-MOSFET的高效車載DC/DC電源變換器，其以15 kW的低功率工作時，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到98%，以100 kW的高功率工作時效率達(dá)到99.7%，并能在800 V高電壓下正常工作。基于SiC-MOSFET的車載DC/DC電源變換器的功率密度能夠達(dá)到43 kW/L，遠(yuǎn)大于硅基功率半導(dǎo)體DC/DC電源變換器的功率密度[18]。基于SiC-MOSFET的DC/DC電源變換器的尺寸可以進(jìn)一步縮小，從而增大車內(nèi)可用空間[19]。

2.3 SiC-MOSFET在OBC中的應(yīng)用優(yōu)勢

OBC是將動力電池與外部電源建立聯(lián)系、進(jìn)行電力傳輸?shù)闹匾考?，目前，大多?shù)純電動汽車和插電式混合動力汽車都配備了OBC。

隨著電動汽車對快速充電需求的不斷增長，大功率、高效率和小體積成為OBC的發(fā)展方向。使用SiC-MOSFET作為OBC的功率半導(dǎo)體器件，可以提高功率密度、充電效率和散熱能力，并減小空間占用。Li等[20]提出一種采用SiC-MOSFET的6.6 kW電感-電感-電容器（LLC）的OBC，峰值效率超過96%，功率密度為3.42 kW/L。Gong等[21]設(shè)計了一種基于SiC-MOSFET的OBC，在輸入240 V交流電、輸出400 V直流電的工作條件下，峰值效率高達(dá)98.9%，總諧波失真小于2%。基于SiC-MOSFET的OBC的輸出功率可達(dá)22 kW、峰值效率達(dá)到97%[22-23]。同時，相較于硅基OBC，采用SiC-MOSFET可使OBC的體積減小24%、質(zhì)量減輕28%，功率密度提高72%以上[24]。

3 車用SiC-MOSFET技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

盡管SiC-MOSFET性能優(yōu)異，在電動汽車領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值，但與硅基IGBT相比，仍存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1 成本問題

目前，SiC-MOSFET的成本十分高昂[25]，SiC-MOSFET模塊的價格是硅基IGBT模塊的3～5倍[26]。SiC-MOSFET在電動汽車上使用數(shù)量的增加，將導(dǎo)致整車成本上升、價格競爭力下降。值得注意的是，SiC-MOSFET應(yīng)用于電動汽車功率轉(zhuǎn)換部件時，可以減少除功率半導(dǎo)體之外的零部件成本，如散熱系統(tǒng)成本。

為了更好地評估引入SiC-MOSFET導(dǎo)致的成本提高情況，建立相應(yīng)的SiC-MOSFET逆變器和轉(zhuǎn)換器的成本模型。以電子元件分銷商DigiKey的價格作為參考[6]，對比硅基IGBT和SiC-MOSFET在汽車上應(yīng)用的成本，逆變器的總成本如表1所示，逆變器與轉(zhuǎn)換器的總成本如表2所示，OBC成本如表3所示。綜合來看，以SiC-MOSFET作為電動汽車功率半導(dǎo)體的成本較使用硅基IGBT的成本高。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)步及SiC量產(chǎn)帶來的成本下降，SiC-MOSFET很有希望取代硅基IGBT。

3.2 可靠性問題

功率半導(dǎo)體的可靠性通常是指在動態(tài)運行條件下出現(xiàn)的極端運行溫度、器件老化和性能損壞等問題，與車輛安全密切相關(guān)。SiC-MOSFET受其材料特性和制造工藝影響，需進(jìn)一步研究和驗證可靠性。

3.2.1 柵氧問題

SiC-MOSFET和硅基IGBT都使用二氧化硅柵極氧化物，但SiC-MOSFET較硅基半導(dǎo)體具有更高的柵氧缺陷。這主要是由于SiC-MOSFET器件柵氧界面處的勢壘高度較低，這使得溝道中的載流子更容易穿過勢壘進(jìn)入氧化層，影響柵氧化層的質(zhì)量。另一方面，SiC氧化過程中殘留在界面處的碳元素會在SiC/SiO2的界面處形成較高的界面態(tài)密度[27]，進(jìn)而影響SiC-MOSFET器件的性能和可靠性[28]。界面處的電荷陷阱通過俘獲電荷降低載流子密度，通過庫倫散射降低載流子遷移率，影響SiC-MOSFET的電流能力和跨導(dǎo)等特性；界面態(tài)電荷陷阱在器件開啟和關(guān)斷的過程中俘獲和釋放載流子，使SiC-MOSFET的閾值電壓發(fā)生漂移[29]。柵氧化層和界面態(tài)電荷陷阱增大SiC-MOSFET在高電場下的隧穿電流，增大漏電流、擊穿柵氧介質(zhì)導(dǎo)致器件失效。汽車上應(yīng)用的SiC-MOSFET由于柵極氧化問題，功率轉(zhuǎn)換裝置可能以振蕩方式運行，導(dǎo)致逆變器失控，影響電機(jī)運行。

3.2.2 體二極管可靠性問題

SiC-MOSFET體二極管的反向恢復(fù)時間短、恢復(fù)損耗小，具有很好的正向工作特性，在電路中可以用于吸收感性負(fù)載產(chǎn)生的電流，起到續(xù)流二極管的作用。但當(dāng)電流持續(xù)通過時，SiC-MOSFET體二極管的通態(tài)電壓可能會隨時間延長而變大，即出現(xiàn)“體二極管雙極型退化”現(xiàn)象，這主要是由碳化硅襯底上存在的基晶面位錯缺陷觸發(fā)的。該退化導(dǎo)致開啟狀態(tài)下載流子傳導(dǎo)差、關(guān)閉狀態(tài)下漏電流大，使逆變器和DC/DC電源變換器在低負(fù)載條件下運行不穩(wěn)定[30]。

在體二極管工作時，電子與空穴的復(fù)合所釋放出的能量導(dǎo)致堆垛層錯在基晶面位錯處蔓延，直至蔓延到芯片的表面，如圖2所示[31-32]。

圖3所示為無層錯缺陷器件和有少量層錯缺陷的SiC-MOSFET芯片在導(dǎo)通模式下利用紅外熱像儀拍攝的對比圖像，圖中溫度代表了電流的密度[31]。從圖3中可以看出，有堆垛層錯的區(qū)域溫度遠(yuǎn)低于正常區(qū)域溫度，這是因為層錯缺陷導(dǎo)致該區(qū)域?qū)щ娔芰ο陆?，流過的電流很小，幾乎沒有產(chǎn)生熱量。

3.2.3 短路問題

SiC-MOSFET管芯面積小、電流密度大且抗短路能力較弱，因此對電路保護(hù)要求更高，特別是在大功率領(lǐng)域，這一問題更加突出[32]。這是由于碳化硅/氧化物界面陷阱密度比硅/氧化物高2個數(shù)量級，為了取得較高的閾值電壓，碳化硅場效應(yīng)晶體管的氧化層厚度往往較硅場效應(yīng)晶體管的薄，這使得在高電應(yīng)力的條件下，碳化硅場效應(yīng)晶體管的氧化層更容易失效[33]。同時，由于同樣功率等級條件下，碳化硅場效應(yīng)晶體管的芯片面積較硅場效應(yīng)晶體管的小，使碳化硅場效應(yīng)晶體管承受了更高密度的電流應(yīng)力，因而碳化硅場效應(yīng)晶體管的短路抵御能力較硅場效應(yīng)晶體管弱[34]。

與硅基IGBT的短路耐受時間10 μs相比，SiC模塊的短路耐受時間明顯縮短，約為2 μs[35]，這表明SiC-MOSFET短路耐受性較弱。由于SiC-MOSFET具有溝槽結(jié)構(gòu)，短路臨界能量小于平面柵MOSFET，使SiC-MOSFET比硅基MOSFET對短路現(xiàn)象更敏感[27]。此外，與模具面積96 mm2左右的硅基MOSFET相比，SiC-MOSFET的模具面積只有5.52 mm2左右，導(dǎo)致具有更高的短路功率密度和更快的結(jié)溫升高速度，可能導(dǎo)致?lián)舸┕收蟍36]。當(dāng)SiC-MOSFET是逆變器和DC/DC電源變換器的主要部件時，它們較弱的短路承受能力使得傳動系統(tǒng)在車輛上坡和高速行駛等重載條件下更容易突然喪失動力。

3.3 散熱問題

相較于硅基IGBT，SiC-MOSFET的散熱面積更小，相同的電流通過時電流密度更高，這會導(dǎo)致單位面積產(chǎn)生更多的熱量，造成結(jié)溫升高速度更快。因此，熱管理成為制約SiC-MOSFET應(yīng)用的重要因素。

SiC-MOSFET和硅基IGBT的換熱器的熱阻由底板的導(dǎo)電熱阻、傳熱面的對流熱阻和擴(kuò)散熱阻組成。換熱器的理論最小熱阻（即熱極限）可以通過換熱面的性能極限和最佳底板厚度實現(xiàn)。隨著散熱面積的減小，換熱器中的擴(kuò)散熱阻增大，如圖4所示。SiC-MOSFET模塊的換熱器由于散熱面積較小，可能不滿足所需的散熱要求[37]。

4 車用SiC-MOSFET發(fā)展趨勢

4.1 微型化

當(dāng)前，每片SiC晶圓的生產(chǎn)成本為1 500～1 800美元[38]，單個SiC使用晶圓的成本與其使用面積成正比，于是，制造商通過在單片晶圓上獲得更多的MOSFET來降低SiC-MOSFET的生產(chǎn)成本。

此外，還可以通過微型化來提高SiC-MOSFET的良品率，進(jìn)而降低成本。SiC-MOSFET的良品率與芯片面積的關(guān)系如圖5所示，良品率隨芯片面積的增大呈顯著下降趨勢。而為了提高器件的通流能力，大電流規(guī)格下的器件常具有較大的芯片面積，對器件良品率造成影響[39]。因此，在保持大電流器件性能不變的前提下，應(yīng)盡可能地設(shè)計小面積芯片（即微型化），以兼顧高性能和高良品率。

4.2 先進(jìn)封裝技術(shù)

先進(jìn)封裝技術(shù)能夠改善SiC-MOSFET的散熱條件，減小寄生參數(shù)，提高功率模塊的魯棒性和可靠性[40]。SiC-MOSFET的先進(jìn)封裝技術(shù)[41]主要包括：芯片頂部連接采用銅-銅（Cu-Cu）鍵合方式，通過對芯片頂部進(jìn)行銅質(zhì)金屬化（基板表面也為銅），獲得最佳的表面同質(zhì)結(jié)合，改善連接壽命和芯片表面的散熱狀況；芯片底部連接依據(jù)底部金屬化的不同，分別采用銅錫或鎳錫混合焊料進(jìn)行擴(kuò)散焊，在結(jié)合面產(chǎn)生5 μm以上的金屬化合物層；系統(tǒng)連接采用焊接方式，通過調(diào)節(jié)焊料中錫、銀、銅的比例和工藝過程，獲得最佳的結(jié)合面彈性模量。

近年來，基板的疊層構(gòu)型出現(xiàn)了新趨勢，嵌入式基板將芯片和基板都埋入某種載體中，芯片和嵌入基板均使用雙面銀燒結(jié)進(jìn)行連接，由此實現(xiàn)雙面散熱。嵌入式基板、雙面空冷散熱的剖面構(gòu)造如圖6所示[42]。其中，頂部和底部嵌入基板與散熱器的結(jié)合面均使用熱界面材料，可改善導(dǎo)熱并減緩機(jī)械應(yīng)力。

4.3 多芯片集成

2018年，三菱將肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode，SBD）與SiC-MOSFET集成到同一芯片，形成較低的碳化硅SBD正向壓降和較高的電流輸出能力，可在一定電流范圍內(nèi)避免SiC-MOSFET寄生雙極體二極管導(dǎo)通和雙極退化問題，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[43]。

集成芯片較傳統(tǒng)SiC-MOSFET芯片面積有所增加，但相比SiC-MOSFET外置SBD的方案節(jié)約了SBD芯片終端區(qū)和劃片道區(qū)面積，可以布置更多芯片，從而具有更大的電流能力。三菱據(jù)此研制出6.5 kV SiC-MOSFET芯片和對應(yīng)的全碳化硅模塊樣品，相較于傳統(tǒng)的6.5 kV硅基IGBT模塊，大幅降低了導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和開關(guān)損耗，總損耗降低至原來的1/10；與外置SBD的SiC-MOSFET相比，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗分別下降了18%和80%。

4.4 未來成本趨勢

盡管SiC-MOSFET模塊的價格是硅基IGBT模塊價格的3～5倍，但對于新能源汽車，采用SiC-MOSFET模塊可以降低6%～10%的功率損耗，長時間尺度下節(jié)省的電池成本將超過采用SiC-MOSFET器件增加的成本。同時，考慮到800 V高壓平臺在新能源汽車上的推廣，SiC-MOSFET模塊的優(yōu)勢被進(jìn)一步放大，使用SiC可以助力電驅(qū)動系統(tǒng)升級，以適應(yīng)電壓等級從400 V升級到800 V的變化。

未來，影響車載SiC-MOSFET模塊成本的因素包括材料成本、制造工藝、產(chǎn)業(yè)規(guī)模等。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步和規(guī)?；a(chǎn)的推進(jìn)，SiC材料的成本有望逐漸降低。制造技術(shù)的提升和工藝流程的優(yōu)化將進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，從而降低SiC-MOSFET模塊的生產(chǎn)成本。純電動汽車和混合動力汽車市場的不斷擴(kuò)大及智能汽車技術(shù)的快速發(fā)展，對SiC功率半導(dǎo)體器件的需求將不斷增加，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望擴(kuò)大，進(jìn)而促使成本降低。

5 結(jié)束語

車用SiC-MOSFET具有高效率、高功率密度、可簡化冷卻系統(tǒng)等獨特優(yōu)勢，為車內(nèi)緊湊的內(nèi)部空間布局和電能的轉(zhuǎn)換、利用提供了更多可能。相較于硅基IGBT，SiC-MOSFET具有更高的工作頻率和擊穿電壓，在高壓（800 V）快速充電方面具有很高的應(yīng)用價值。SiC-MOSFET的應(yīng)用為這些場景帶來了更高的效率、功率密度和更小的尺寸、更輕的質(zhì)量。與此同時，SiC-MOSFET也面臨成本高昂、可靠性有待提升和散熱等問題。未來，SiC-MOSFET將進(jìn)一步微型化以降低成本和提高可靠性，采用先進(jìn)封裝技術(shù)以改善散熱和提高機(jī)械強(qiáng)度，通過多芯片集成進(jìn)一步減小單個芯片的占用空間。同時，材料成本的下降、制造工藝的提升及產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，將為車用SiC-MOSFET的發(fā)展提供更廣闊的空間。

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（責(zé)任編輯 白 夜）

【引用格式】 李尊， 張政， 吳毅卓， 等. 車用SiC-MOSFET的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 汽車工程師， 2025（4）： 1-9.

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