在 xEV傳動系統中，碳化矽(SiC)電路有助於實現更小的晶片尺寸，同時具備相同效能資料，提供降低切換損耗及提升切換頻率等各種優點。與先前的系統相比，對應封裝技術可實現更有效率且更為輕巧的電源模組，以及獨立解決方案。受益於SiC晶片和最佳化電源模組的一般應用，包括主變頻器、車載充電電子裝置、升壓器和DC-DC轉換器(圖1)。
SiC元件已上市約二十年，但因為成本及部分品質緣故，在車輛中的使用受到限制。到目前為止，SiC晶圓尺寸通常比矽小很多。高品質6英寸SiC晶圓上市供應後，提升了製造SiC晶片的產能(圖2)。 SiC元件最初是由小規模的專業公司主導，不過目前頂尖半導體公司於標準設備加工SiC元件，具備高輸出及高可靠性，因此SiC的成本發展大有可為。最新一代的SiC溝槽MOSFET，在閘極氧化物可靠性方面也有所進展，使其成為汽車應用的理想選擇。
碳化矽具備高切換/低損耗特性
相較於傳統的矽基高電壓IGBT或MOSFET(> 600V)，SiC MOSFET具有多種優勢。例如英飛凌1200V SiC MOSFET(CoolSiC)的閘極電荷及電容值比IGBT更低，並具備最低的本體二極體逆復原損耗。這讓切換損耗遠低於矽，並且不受溫度影響(圖3)。此外，MOSFET具有類似電阻的輸出特性，IGBT則類似於二極體。無臨界值導通特性可降低局部負載範圍的洩漏損耗。
以上基本優勢不僅使SiC MOSFET成為高頻運作的理想選擇(例如車載充電電路和DC-DC轉換器)，也適用切換頻率一般低於20kHz的變頻器應用。其中效率主要是由低負載作業決定。例如使用SiC MOSFET可在低或中負載情況下，降低最高2/3的變頻器損耗。
SiC MOSFET可實現體積極為精巧的高效變頻器。在相同條件下，SiC MOSFET的晶片面積遠小於IGBT型變頻器。由於減少晶片損耗，因此提升了各種駕駛情境的效率，特別是具有許多加速階段的城市交通。
就變頻器效率而言，必須考慮能量基本上以兩個方向流動，產生扭矩期間從電池到車輪，能量復原(回收)期間則從車輪返回電池。因此變頻器效率對電池供電電動車(BEV)非常重要，因為這會直接影響行駛範圍，或可使用較小電池提供相同行駛範圍。由於電池是重要的成本因素，電池電芯減少5%至10%，可讓電池電力超過40kWh的系統大幅降低800美元以上成本。
矽支援的崩潰場強度低於SiC。因此標準1200V IGBT損耗明顯高於600V類別的同類產品。另一方面，1200V SiC MOSFET可在850V範圍內，以更高的電池電壓提供非常高效的運作。因此SiC也非常適合用於快速充電應用的架構。就目前正在開發的基礎設施而言，80kWh電池可在15分鐘內充電至80%。這是實作電動車和確保客戶滿意度的重要層面。
選擇適應封裝提升電源模組效能
為充分利用SiC晶片效能，還需要對應的最佳化封裝技術用於電源模組。SiC有助於提高能源效率，不過這不僅需要更出色的封裝材料，也須要考慮較小晶片熱阻更高的問題。較小晶片也會導致提升電流密度，熱機械變形風險也較高。
為了充分利用SiC MOSFET效能，須要採用最低洩漏電感的封裝，因此需要創新的封裝概念用於電源模組，像是HybridPACK Drive系列模組，以及雙面冷卻的封裝概念(例如HybridPACK DSC模組)。這樣就可以開發電源密度非常高的變頻器設計。
開發電動車及油電混合車使用的HybridPACK Drive(HPDrive)電源模組時，必須結合各項技術和應用相關要求。其中包括各種不同要素，例如最佳化成本、高效率、功率密度，啟動扭矩的載流能力，以及受熱循環影響的使用壽命。
目前已經顯示完全整合的開發方法，如何讓電源模組的所有個別元件以這種方式設計，以滿足應用要求達到最佳效果。晶片的額定電壓提升，模組電感降低，因此可在更高的工作電壓和切換邊緣運作。更高的溫度負載能力、更出色的晶片接合技術，以及損耗更低的材料，可提升載流能力，進而提高驅動馬達的啟動扭矩。總而言之，較小的模組尺寸、縮減晶片面積、降低損耗，以及使用最新量產技術，有助於降低系統成本。
採用壓接端子及最新汽車用IGBT技術(EDT2)的HybridPACK Drive模組，比HybridPACK2系列同類產品小約20%，並具有相同效能。HybridPACK Drive產品系列屬於可擴充平台，具有各種電源連接、IGBT和MOSFET技術及熱堆疊選項。本系列產品從一開始就採用模組化設計，從端子接頭就開始秉持模組化概念，有助於以快速焊接程序或螺栓接頭用於纜線連接。此外也提供「長接頭」版本，用於實作相位電流感測器。
此一模組的設計原則，是盡可能減少變頻器製造商的開發工作量(視應用而定)。因此更換基板或熱堆疊可減少或增加輸出功率，毋須變更矽零件。目前有各種基板(扁平，直接冷卻和針狀鰭片)及陶瓷基材可供選擇。
不過若採取保留電子裝置(驅動器板和直流連結電容器)及變頻器設計，但調整冷卻結構的作法，也可以擴充效能。例如以FS820R08A6P2模組(採用750V IGBT、針狀鰭片結構和標準陶瓷)作為100%參考，就可以產生可調整頻寬，提供70%至120%的效能(圖4)。
對更高功率而言，HybridPACK Drive也可以使用1200V技術。首先是1200V IGBT和更出色的陶瓷，未來則是SiC MOSFET(CoolSiC)。採用SiC或CoolSiC不僅可以加倍變頻器效能，也能因為電池及縮小元件而降低系統成本。
SiC普及速度逐漸加快
首批採用SiC二極體的車載充電系統現已上市。不過高電壓電池未來仍將是油電混合及電動傳動系統最昂貴的零件，因為完全以電池供電的車輛(BEV)需要100kWh的電池容量，才能行駛400km以上的距離。在這種情況下，損耗較低的高效變頻器可提升電池使用率，延長行駛範圍。
為了比較矽和SiC型變頻器的效率，因此研究多種不同的駕駛情境，例如新歐洲駕駛循環(NEDC)、全球協調輕型車輛測試程序(WLTP)，以及實際的Artemis模擬(圖5)。其中顯示SiC型變頻器可達到99%以上的效率，並且在所有情境都是如此。
如果將復原因素列入考量，則SiC變頻器可讓BEV行駛範圍延長5%至10%。SiC MOSFET更快的切換速度，以及比IGBT降低80%的切換損耗，是此項效率提升的主要因素。即使目前因為EMC標準和寄生效應等緣故，尚無法充分利用這種潛能，但光是在關機時消除復原損耗和電流尾效應，就將大幅降低動態損耗。此外SiC提供類似電阻的輸出特性，讓這類元件非常適合低負載條件，而變頻器運作大多是由低負載條件組成。因此變頻器在20%以下負載的主動運作期間，運作效率達到80%以上。
SiC型變頻器預期用於頂級BEV平台，其中需要200kW以上的電力及850V系統電壓，以支援快速充電。SiC技術在此領域具有決定性的優勢。為了促進實作SiC變頻器，半導體業者英飛凌以可擴充的HybridPACK Drive封裝為基礎，完全在SiC開發電源模組(圖6)，這類模組涵蓋的功率範圍高達300kW。
簡而言之，越來越多的OEM和汽車製造商，正尋求以SiC因應未來發展需求。為此，半導體業者也以CoolSiC MOSFET展示效率及功率密度的全新功能，搭配創新的封裝技術、對應的閘極驅動器，以及廣泛的汽車專業知識。這意味著未來xEV車輛和其他汽車應用將能利用SiC；且整合或結合SiC MOSFET及/或CoolSiC，以及可擴充 HybridPACK電源模組封裝，可讓變頻器效能達到1200V Si IGBT對應模組的兩倍，並降低系統成本。
