与IGBT相比,SiC MOSFET同时具有耐高压、低损耗和高频三大优点。 1)碳化硅的击穿电场强度是硅的十倍以上,这使得碳化硅器件的耐高压性能明显高于同等硅器件。 2)碳化硅的禁带宽度是硅的三倍,这使得SiC MOSFET的漏电流比硅基IGBT大大降低,降低了导通损耗。同时,SiC MOSFET是单极器件,没有尾电流,较高的载流子迁移率减少了开关时间,从而降低了开关损耗。根据 Rohm 的研究,相同的碳化硅 MOSFET 的总能量损失与硅基 IGBT 相比,规格可大幅降低 73%。 3)覆盖了MOSFET本身的特性,与IGBT相比具有高频优势。此外,根据 Wolfspeed 的研究,相同规格的 SiC 基 MOSFET 的尺寸与硅基 MOSFET 相比可以显着减小 1/10。
碳化硅助力新能源汽车实现轻量化、降低损耗、增加续航里程。 1)碳化硅比硅具有更高的热导率,易于散热和更高的极限工作温度,可有效降低汽车系统中散热器的体积和成本。同时,SiC材料较高的载流子迁移率使其能够提供更高的电流密度。在相同功率水平下,碳化硅功率模块体积明显小于硅基模块,进一步助力新能源汽车实现轻量化。 2)SiC MOSFET器件在开关损耗和导通损耗方面相比硅基IGBT具有显着优势,在新能源汽车中的应用可以有效降低损耗。根据丰田官网,丰田预计SiC MOSFET的应用将有助于电动汽车续航里程提升约5%-10%。 3)由于SiC材料的功率密度更高,在相同功率下,SiC器件的体积可以缩小到1/2甚至更低; 4)由于SiC MOSFET的高频特性,SiC的应用可以显着降低电容、电感、无源元件等的应用,简化外围电路设计。
从特斯拉的计划来看,在主逆变器中使用 SiC 可以显着降低损耗并提高功率密度。特斯拉Model 3率先在主逆变器中采用了SiC方案(搭配意法半导体的SiC MOSFET模块),替代了原有的Model X主逆变方案(搭载英飞凌的IGBT单管)。对比产品参数可以看出,所用SiC MOSFET的反应恢复时间和开关损耗显着降低。同时,Model 3 主逆变器上有 24 个 SiC 模块,每个模块包含 2 个 SiC 裸片,共享 48 个 SiC MOSFET。如果仍然使用 Model X IGBT,则需要 54-60。该方案使 Model 3 主逆变器的整体结构更简单,整体质量和体积更轻,功率密度更高。