新能源輕卡碳化硅控制器的發展趨勢研究

摘要：分析了碳化硅控制器的特性和工作原理，挖掘其在新能源輕卡的電動驅動系統、能量管理系統、充電系統等方面的應用潛力。對碳化硅控制器發展歷程和研究現狀進行了梳理，歸納了碳化硅控制器呈現出的“四高”發展趨勢，即高功率密度、高可靠性、高效率、高智能化水平，并進一步探討了新能源輕卡碳化硅控制器的發展前景，以提高新能源輕卡的整體競爭力，促進清潔能源的推廣和應用。

關鍵詞：新能源輕卡；碳化硅控制器；產業發展趨勢

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408002

1 前言

隨著能源消耗和環境污染問題的日益凸顯，輕卡的新能源滲透率逐漸提升，新能源輕卡作為一種清潔、高效的交通工具逐漸受到關注和推廣。新能源輕卡中的關鍵控制器在保證車輛正常運行和性能穩定方面起著重要作用[1-2]。

作為一種具有高導熱性、高硬度、耐高溫性、低誤差電阻和優異抗輻射特性的控制器材料，碳化硅（SiC）適用于高溫、高電壓、高頻率和高功率的應用場景。與傳統的二極管材料相比，碳化硅具有更低的開關導通損耗、更高的崩潰電壓和更好的溫度穩定性。因此碳化硅控制器具有較為廣闊的應用前景，且對提高新能源輕卡的整車性能和可靠性具有重要意義[3-5]。本文通過研究碳化硅控制器的原理和特性，探索其在新能源輕卡中的應用，通過梳理碳化硅控制器的發展歷程、分析其未來發展趨勢，評估新能源輕卡碳化硅控制器的發展前景，從而為相關產業的技術創新和發展方向提供一定的參考，有利于推動新能源輕卡產業的發展，促進清潔能源的推廣和應用。

2 碳化硅控制器的原理和特性

21 碳化硅的特性介紹

碳化硅是一種具有高熔點、高化學穩定性和高載流能力的半導體材料，廣泛應用于電力電子器件的制作[6-8]。如表1所示，它具有以下幾個主要特性：

a.高溫特性：碳化硅的熔點約為2 730 °C，遠高于常見的硅材料。這使得碳化硅能夠在高溫環境下工作，不易發生熱衰減。高溫性能的提升可以降低設備散熱需求，減小系統體積。

b.高電壓特性：碳化硅材料具有較寬的禁帶寬度和較高的擊穿電場強度，可以承受更高的工作電壓。相比之下，硅材料的擊穿電場強度較低。因此，在一些高電壓應用中，碳化硅控制器具有明顯的優勢。

c.高電流特性：碳化硅的電子遷移率大約是硅的10倍，因此能夠承受更大的電流密度。這使得碳化硅控制器在高功率應用中能夠提供更高的效能。

d.低導通損耗：碳化硅材料的電阻率較低，能夠降低導通過程中的能量損耗。相比之下，硅材料的導通損耗較高。低導通損耗意味著碳化硅控制器能夠提供更高的轉換效率。

e.快速開關特性：由于碳化硅的載流子遷移速度較高，能夠快速切換導通和關斷狀態。這意味著碳化硅控制器能夠提供更快的開關速度和更低的開關損耗。

基于上述特性，碳化硅控制器能夠在新能源輕卡電動驅動系統中提供更高的功率密度、更高的效率和更高的可靠性，從而推動新能源輕卡技術的進一步發展。

22 碳化硅控制器的工作原理

碳化硅控制器的工作原理基于其半導體特性，當電能輸入碳化硅控制器時，其內部結構中的PN結和MOSFET組成的開關電路將電能進行轉化和控制。當輸入電壓大于一定的閾值電壓時，碳化硅控制器開啟開關電路，將電能傳輸到輸出端。反之，當輸入電壓小于閾值電壓時，碳化硅控制器關閉開關電路，實現電能的截斷和停止傳輸。

在碳化硅控制器的工作過程中，它具有快速開關速度、低導通電阻和低開關電阻的特點，從而能夠有效地控制電流的流動和電能的傳輸。此外，碳化硅控制器還能夠抵抗高溫和高電壓等極端工作環境，具有更好的可靠性和穩定性。

在新能源輕卡中，碳化硅控制器通常用于電池管理系統、電機驅動系統和充電系統等關鍵部件。通過碳化硅控制器的優化設計和性能評估，可以實現對電池的充放電控制、電機的精確驅動以及充電系統的安全性和高效性的提升。

總之，碳化硅控制器是新能源輕卡中的關鍵設備之一，其工作原理基于碳化硅半導體特性，通過開啟和關閉開關電路來實現電能的傳輸和控制。通過對碳化硅控制器的優化設計和性能評估，可以提升新能源輕卡的整體性能和可靠性。未來，在碳化硅材料和半導體技術的進一步發展下，碳化硅控制器有望在新能源輕卡領域展現出更大的潛力和應用前景。

23 碳化硅控制器在新能源輕卡中的應用

作為一種關鍵的電力電子設備，碳化硅控制器在新能源輕卡中具有多樣的應用，下文將介紹碳化硅控制器在新能源輕卡中的主要應用方式（表2）。

a.在電動汽車中，碳化硅控制器可以用于電動驅動系統的控制。

碳化硅控制器能夠高效地控制電機的運行，提供準確的功率輸出，從而實現電動汽車的節能、高效行駛。通過精細的控制，在不同的行駛條件下，碳化硅控制器可以根據電池電量和電機的工作狀態來調整驅動電機的輸出功率，以最優化的方式實現車輛動力的輸出。此外，碳化硅控制器還能夠提供電機的保護功能，如電機過流和過溫保護，以確保電機的安全運行。

b.碳化硅控制器還廣泛應用于新能源輕卡的能量管理系統中。

新能源輕卡通常包括多種能源存儲裝置，如電池組、超級電容器等。通過使用碳化硅控制器，可以實現對這些能源存儲裝置的精確控制和管理。碳化硅控制器可以監測和調整能源存儲裝置的充放電過程，以確保能量的高效利用和延長電池組的壽命。碳化硅控制器還可以實現能量的回饋和回收，將電動汽車的制動能量或過剩能量轉化為電能并儲存起來，進一步提高能源利用率。

c.碳化硅控制器還可以應用于電動汽車的充電系統。

充電系統是電動汽車重要的配套設施，碳化硅控制器能夠實現對電動汽車的充電過程進行控制和管理。碳化硅控制器可以根據電池組的狀態和充電需求，調整充電電流和充電電壓，以最佳充電效果進行充電，同時確保充電過程的安全性和穩定性。此外，碳化硅控制器還可以實現對充電樁之間的通信和數據傳輸，提供充電過程的實時監測和管理。

碳化硅控制器在新能源輕卡中具有廣泛的應用前景。通過對電動驅動系統、能量管理系統和充電系統的控制，碳化硅控制器能夠提高新能源輕卡的能源利用效率，實現更為高效、節能的行駛方式。隨著碳化硅技術的不斷發展和成熟，碳化硅控制器在新能源輕卡中的應用將會越來越廣泛。

3 碳化硅控制器的發展現狀

31 碳化硅控制器發展歷程

碳化硅控制器的發展大致可分為市場導入期、性能優化期、需求增長期這三個階段（圖1）。

a.市場導入期。

碳化硅的商業應用可追溯至20世紀80年代，而碳化硅控制器的發展歷程大致從20世紀90年代初開始。當時碳化硅材料開始被廣泛研究和應用于功率電子設備中，然而，由于當時碳化硅材料的制備工藝和電氣特性尚不完善，碳化硅控制器的性能受到限制。

b.性能優化期。

英飛凌在2001年研發出SiC肖特基二極管后，SiC的量產產品陸續被推向市場，且各項性能指標不斷得到提升。2010年，羅姆公司實現了一款大功率SiC MOSFET模塊的批量生產；2011年，Wolfspeed公司推出一款耐壓高達1 200 V的SiC MOSFET。半導體行業進入了快速發展的階段，碳化硅控制器的性能也在多個方面不斷優化。首先，隨著碳化硅材料制備工藝的改進，制備出的碳化硅材料具有更高的純度和更好的晶體質量，從而提高了碳化硅控制器的電氣性能。其次，碳化硅控制器的工作溫度范圍得到了擴展，使其能夠適應惡劣的工作環境。此外，碳化硅控制器的開關速度也得到了提高，使其在高頻應用中表現出色。

c.需求增長期。

近年來，隨著新能源汽車得到市場越來越廣泛的認可，碳化硅功率器件在電機控制器中的應用需求也將呈現爆發態勢，越來越多的企業、機構著手研究碳化硅控制器的開發工作。未來，碳化硅控制器的發展趨勢將呈現以下幾個方面：首先，將繼續改進碳化硅材料的制備工藝，提高其質量和晶體結構的均勻性；其次，將進一步提高碳化硅控制器的功率密度，實現更小體積和更高效率；最后，碳化硅控制器也將更加注重可靠性和穩定性的提高，以滿足新能源輕卡日益增長的需求。

32 碳化硅控制器研究現狀

目前，碳化硅控制器在新能源輕卡領域的研究和應用已經取得了一定的進展。國內外學者對碳化硅材料的特性和控制器的工作原理進行了深入研究，并探索了其在新能源輕卡中的應用。

在國內，許多研究機構和高校都對碳化硅控制器進行了研究。例如，清華大學的研究團隊在碳化硅控制器的硬件設計方面做出了重要貢獻。他們通過優化電路結構和材料選擇，提高了控制器的效能和可靠性。同時，他們還進行了控制器的軟件設計和性能優化的工作，實現了對新能源輕卡系統的精確控制。

在國外，美國、德國、日本等也在碳化硅控制器的研究和發展方面處于領先地位。美國研究人員主要關注碳化硅材料的特性及其在電動汽車控制器中的應用。德國研究人員則致力于提高碳化硅控制器的功率密度和效能，以滿足高性能電動汽車的需求。日本研究人員則在控制器的設計和優化方面做出了一些創新工作，提高了控制器的響應速度和穩定性[12]。

4 新能源輕卡碳化硅控制器的發展趨勢

41 碳化硅控制器的未來發展趨勢

在新能源輕卡領域，碳化硅控制器作為關鍵技術之一[13-14]，將在以下幾個方面得到進一步的發展和優化：

a.高功率密度。隨著電動汽車市場的快速增長和電池技術的不斷進步，對碳化硅控制器的功率密度要求也會越來越高。未來的碳化硅控制器將采用更高效的電路拓撲結構和更緊湊的設計，以實現更小體積和更高功率輸出。

b.高可靠性。目前，碳化硅控制器在高溫環境下容易發生故障，影響其可靠性。未來的發展趨勢是針對這一問題進行解決，通過改進材料和結構設計，提高碳化硅控制器的耐高溫性能，確保其在各種惡劣環境下的穩定運行。

c.高效率。提高效率是科技發展的一項重要目標，對于碳化硅控制器也不例外。未來的碳化硅控制器將采用更高效的功率設計和優化的控制算法，以減少能量損耗和提高整體能效。

d.高智能化水平。隨著人工智能技術的不斷發展和應用，碳化硅控制器將逐漸實現智能化控制和自適應調節。未來的碳化硅控制器將具備故障自診斷功能、智能優化調節功能和與其他車輛系統的無縫連接能力，提高整個系統的智能化水平和駕駛體驗。

綜上所述，碳化硅控制器的未來發展趨勢包括提高功率密度、提高可靠性、提高效率和實現智能化。這些發展趨勢將在新能源輕卡領域推動碳化硅控制器的應用，并為新能源輕卡的性能提升和市場發展做出貢獻。

42 新能源輕卡碳化硅控制器的發展前景

新能源輕卡是未來汽車產業發展的重要方向，而碳化硅控制器作為新能源輕卡的核心部件，在實現電動汽車高效率和高性能方面具有重要作用，在技術與市場等方面具有較大的發展潛力[15-18]。

a.需求增大，順應新能源輕卡增長市場。

在新能源輕卡市場的快速增長背景下，碳化硅控制器的需求將不斷增加。隨著新能源輕卡技術的不斷成熟和市場的不斷擴大，碳化硅控制器將在電動汽車中得到廣泛應用。由于碳化硅材料具有優異的耐高溫、高耐壓和低導通損耗等特性，碳化硅控制器能夠有效提高電動汽車的能效和電機驅動能力，從而實現更長的續航里程和更高的性能。

b.成本降低，提升新能源輕卡經濟性。

隨著碳化硅材料制造工藝的不斷改進和成本的降低，碳化硅控制器的價格將逐漸下降，進一步推動其在新能源輕卡中的應用。目前，碳化硅材料的制造工藝已經逐漸成熟，大規模生產的能力不斷提升。與傳統的硅材料相比，碳化硅材料的價格相對較高。然而，隨著工藝的進一步改進和規模效應的發揮，碳化硅材料的制造成本將降低，從而使碳化硅控制器在新能源輕卡市場上具備更大的競爭優勢。

c.性能優化，擴展控制器應用領域。

隨著碳化硅控制器技術的不斷創新和進步，其性能也將得到進一步提升。目前，碳化硅控制器在電動汽車中主要應用于驅動系統和充電系統等關鍵部位。然而，隨著對碳化硅材料性能的深入研究和技術的突破，碳化硅控制器將能夠應用于更多新領域，如電池管理系統、智能充電系統等。這將進一步提升電動汽車的性能和安全性，滿足消費者對于新能源輕卡的需求。

總之，新能源輕卡碳化硅控制器具有廣闊的發展前景。通過加強對碳化硅控制器技術的研究和創新，提高其性能和降低制造成本，能夠推動新能源輕卡產業的快速發展。未來，新能源輕卡碳化硅控制器有望在提升電動汽車性能、延長續航里程、增加充電效率等方面取得更大的突破，為新能源輕卡的廣泛應用提供強有力的支撐。

5 結語

本文通過分析碳化硅的特性和工作原理，發現碳化硅控制器能夠滿足新能源輕卡對高效、高性能控制器的需求，且在電動驅動系統、能量管理系統、充電系統等多方面得到廣泛應用。碳化硅控制器經歷了市場導入期、性能優化器、需求增長期等發展階段，相關研究主要集中在硬件和軟件的設計與優化、性能評估與優化以及在新能源輕卡中的應用等方面，未來將朝著高功率密度、高可靠性、高效率和高智能化水平等方向發展。隨著市場需求的增大、制造成本的降低、工作性能的優化，新能源輕卡碳化硅控制器具有越來越廣闊的發展前景。

但是，關于新能源輕卡碳化硅控制器的研究仍存在一些不足。碳化硅控制器的成本相對較高，限制了其在新能源輕卡中的大規模應用。碳化硅控制器在高溫環境下的可靠性也有待進一步提高。此外，碳化硅控制器的設計和優化仍需深入探索。未來的研究可以著重從硬件設計、軟件設計以及性能評估與優化等方面入手，以推動新能源輕卡碳化硅控制器的發展。

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作者簡介：

郭剛，男，1988年生，助理工程師，研究方向為輕卡產品需求。