車用SiC-MOSFET的應用與技術發展綜述

【摘要】針對硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）難以進一步滿足電動汽車高功率密度、低導通損耗、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體場效應晶體管（SiC-MOSFET）的最新研究進展。通過總結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（OBC）應用場景下的特點，分析了目前車用SiC-MOSFET在成本、可靠性及散熱方面的技術挑戰，并探討了其在微型化、先進封裝、多芯片集成和成本方面的發展趨勢。

關鍵詞：電動汽車 碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管 功率半導體芯片 導通損耗 轉換效率

中圖分類號：U469.72" "文獻標志碼：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，電動汽車行業對更高功率密度、更小尺寸的功率半導體器件的需求日趨強烈。目前，功率半導體主要包括絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）。

傳統的功率半導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，廣泛應用于新能源汽車的高壓系統中，如主驅動電機的逆變器。硅基MOSFET因其高頻特性好、開關速度快、成本較低，主要在汽車低壓電器中使用，如電動座椅調節、電池電路保護、刷水器的直流電機、發光二極管（Light Emitting Diode，LED）照明系統等[1]。同時，硅基半導體固有的局限性（如開關損耗高、開關速度有限）導致硅基IGBT的開關頻率限制在20 kHz左右[2]。

隨著半導體材料的快速發展，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的第三代功率半導體材料具有更高的熱導率、較大的相對介電常數、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]，受到越來越多的關注。基于SiC材料制造的碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（SiC-Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，SiC-MOSFET）相較于硅基功率半導體器件，具有更小的開關損耗、更高的開關速度、更小的尺寸、更高的擊穿電壓和更高的承受溫度，可用于提高轉換器和逆變器的效率、功率密度，節省車輛的空間。碳化硅半導體用于逆變器、DC/DC電源變換器和車載充電機（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SiC-MOSFET在電動汽車不同應用場景中的特點，分析車用SiC-MOSFET技術面臨的挑戰，并結合車用SiC-MOSFET技術的最新進展分析其未來發展趨勢。

2 SiC-MOSFET在電動汽車上的應用優勢

SiC-MOSFET作為功率半導體在電動汽車領域的主要應用場景如圖1所示，包括用于驅動電機的牽引逆變器、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了應用[7-9]。

2.1 SiC-MOSFET在牽引逆變器上的應用優勢

相較于硅基半導體，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，為更快的開關速度和更高的開關頻率提供了可能。同時，較高的開關速度能夠減小開關損耗，較小的接通電阻減少了SiC-MOSFET的傳導損耗，從而使SiC-MOSFET獲得更高的效率和功率密度。目前，SiC-MOSFET的峰值效率達到98%以上，功率密度達到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體，發現與硅基IGBT逆變器相比，SiC-MOSFET在一個驅動周期中可以減少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、更高的機械強度，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]發現，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境溫度下實現高功率密度工作，這為簡化逆變器及車輛冷卻系統，甚至使用風冷逆變器提供了可能[15]。

2.2 SiC-MOSFET在車載DC/DC電源變換器中的應用優勢

為確保車載DC/DC電源變換器的最佳性能，須提供穩定的直流電壓并響應負載的迅速變化。

SiC-MOSFET應用于車載DC/DC電源變換器時具有以下優勢：更低的開關和傳導損耗可以獲得更高的效率和功率密度，更高的介電強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定性。Kreutzer等[16-17]開發了一種基于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，功率轉換效率達到98%，以100 kW的高功率工作時效率達到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到43 kW/L，遠大于硅基功率半導體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一步縮小，從而增大車內可用空間[19]。

2.3 SiC-MOSFET在OBC中的應用優勢

OBC是將動力電池與外部電源建立聯系、進行電力傳輸的重要部件，目前，大多數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的發展方向。使用SiC-MOSFET作為OBC的功率半導體器件，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98.9%，總諧波失真小于2%。基于SiC-MOSFET的OBC的輸出功率可達22 kW、峰值效率達到97%[22-23]。同時，相較于硅基OBC，采用SiC-MOSFET可使OBC的體積減小24%、質量減輕28%，功率密度提高72%以上[24]。

3 車用SiC-MOSFET技術面臨的挑戰

盡管SiC-MOSFET性能優異，在電動汽車領域具有較高的應用價值，但與硅基IGBT相比，仍存在一些技術挑戰。

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量的增加，將導致整車成本上升、價格競爭力下降。值得注意的是，SiC-MOSFET應用于電動汽車功率轉換部件時，可以減少除功率半導體之外的零部件成本，如散熱系統成本。

為了更好地評估引入SiC-MOSFET導致的成本提高情況，建立相應的SiC-MOSFET逆變器和轉換器的成本模型。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在汽車上應用的成本，逆變器的總成本如表1所示，逆變器與轉換器的總成本如表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體的成本較使用硅基IGBT的成本高。未來，隨著技術的進步及SiC量產帶來的成本下降，SiC-MOSFET很有希望取代硅基IGBT。

3.2 可靠性問題

功率半導體的可靠性通常是指在動態運行條件下出現的極端運行溫度、器件老化和性能損壞等問題，與車輛安全密切相關。SiC-MOSFET受其材料特性和制造工藝影響，需進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入氧化層，影響柵氧化層的質量。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密度[27]，進而影響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的電流能力和跨導等特性；界面態電荷陷阱在器件開啟和關斷的過程中俘獲和釋放載流子，使SiC-MOSFET的閾值電壓發生漂移[29]。柵氧化層和界面態電荷陷阱增大SiC-MOSFET在高電場下的隧穿電流，增大漏電流、擊穿柵氧介質導致器件失效。汽車上應用的SiC-MOSFET由于柵極氧化問題，功率轉換裝置可能以振蕩方式運行，導致逆變器失控，影響電機運行。

3.2.2 體二極管可靠性問題

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

在體二極管工作時，電子與空穴的復合所釋放出的能量導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，有堆垛層錯的區域溫度遠低于正常區域溫度，這是因為層錯缺陷導致該區域導電能力下降，流過的電流很小，幾乎沒有產生熱量。

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，因此對電路保護要求更高，特別是在大功率領域，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個數量級，為了取得較高的閾值電壓，碳化硅場效應晶體管的氧化層厚度往往較硅場效應晶體管的薄，這使得在高電應力的條件下，碳化硅場效應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，碳化硅場效應晶體管的芯片面積較硅場效應晶體管的小，使碳化硅場效應晶體管承受了更高密度的電流應力，因而碳化硅場效應晶體管的短路抵御能力較硅場效應晶體管弱[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具有溝槽結構，短路臨界能量小于平面柵MOSFET，使SiC-MOSFET比硅基MOSFET對短路現象更敏感[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，導致具有更高的短路功率密度和更快的結溫升高速度，可能導致擊穿故障[36]。當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，這會導致單位面積產生更多的熱量，造成結溫升高速度更快。因此，熱管理成為制約SiC-MOSFET應用的重要因素。

SiC-MOSFET和硅基IGBT的換熱器的熱阻由底板的導電熱阻、傳熱面的對流熱阻和擴散熱阻組成。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。隨著散熱面積的減小，換熱器中的擴散熱阻增大，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發展趨勢

4.1 微型化

當前，每片SiC晶圓的生產成本為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的生產成本。

此外，還可以通過微型化來提高SiC-MOSFET的良品率，進而降低成本。SiC-MOSFET的良品率與芯片面積的關系如圖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，應盡可能地設計小面積芯片（即微型化），以兼顧高性能和高良品率。

4.2 先進封裝技術

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

近年來，基板的疊層構型出現了新趨勢，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進行連接，由此實現雙面散熱。嵌入式基板、雙面空冷散熱的剖面構造如圖6所示[42]。其中，頂部和底部嵌入基板與散熱器的結合面均使用熱界面材料，可改善導熱并減緩機械應力。

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避免SiC-MOSFET寄生雙極體二極管導通和雙極退化問題，其結構如圖7所示[43]。

集成芯片較傳統SiC-MOSFET芯片面積有所增加，但相比SiC-MOSFET外置SBD的方案節約了SBD芯片終端區和劃片道區面積，可以布置更多芯片，從而具有更大的電流能力。三菱據此研制出6.5 kV SiC-MOSFET芯片和對應的全碳化硅模塊樣品，相較于傳統的6.5 kV硅基IGBT模塊，大幅降低了導通損耗、關斷損耗和開關損耗，總損耗降低至原來的1/10；與外置SBD的SiC-MOSFET相比，導通損耗和開關損耗分別下降了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模塊的優勢被進一步放大，使用SiC可以助力電驅動系統升級，以適應電壓等級從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、產業規模等。隨著生產技術的不斷進步和規模化生產的推進，SiC材料的成本有望逐漸降低。制造技術的提升和工藝流程的優化將進一步提高生產效率，從而降低SiC-MOSFET模塊的生產成本。純電動汽車和混合動力汽車市場的不斷擴大及智能汽車技術的快速發展，對SiC功率半導體器件的需求將不斷增加，產業規模有望擴大，進而促使成本降低。

5 結束語

車用SiC-MOSFET具有高效率、高功率密度、可簡化冷卻系統等獨特優勢，為車內緊湊的內部空間布局和電能的轉換、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用價值。SiC-MOSFET的應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將進一步微型化以降低成本和提高可靠性，采用先進封裝技術以改善散熱和提高機械強度，通過多芯片集成進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業規模的擴大，將為車用SiC-MOSFET的發展提供更廣闊的空間。

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（責任編輯 白 夜）

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