SiC MOSFET-电动汽车800V空调压缩机的必然趋势
致瞻科技：徐贺、许慧慧、余国军、向礼、邓永辉、李靖恺
华域三电：房锦忠、赵腾、林耿植、顾振华、钟彦骞、李辰杰、糜鹏
背景介绍
图1: 电动空调压缩机系统框图
电动压缩机能效将会被大幅提高，且提升效果远超预期
——
此项优势说明主要由以下4个子论点进行支撑：
1. 电动汽车中空调系统的能耗占比很高，仅次于动力能耗。中国新颁布的CLTC路况将进一步提升空调系统的能耗占比。
图2: 某中型电动车在WLTP运行工况下各部件的能耗占比 [1]
图3. 中国轻型汽车测试工况 [3]
2.空调压缩机的轻载工况极适合SiC MOSFET器件
图5：400V电压平台IGBT方案和SiC MOSFET方案功率器件损耗对比
图6：800V电压平台IGBT方案和SiC MOSFET方案功率器件损耗对比
3. SiC MOSFET的高频优势可提升电机的轻载效率
图7：永磁同步电机MTPA控制策略原理框图
图8：高速永磁同步电机损耗分解
图9：低速工况下SiC MOSFET控制器+电机总成效率（不同开关频率）
4. 控制器及电机的损耗降低会进一步带来制冷COP提升的复利效果
图10：电动空调压缩机系统制冷框图描述
图11：压缩机制冷COP提升比例和总成效率的关系 （在电控+电机效率提升10%情况下）
SiC MOSFET方案能够极大扩宽压缩机的运行边界
——
1. 更强的低转速控制能力
图12：IGBT以及反并联换流二极管的电压电流特性曲线
其中为IGBT导通压降，、、为三相电流，为死区时间导致的损失电压。
图13：误差电压矢量建模
2. 更强的高温工况带载启动能力
3. 更适宜超低温热泵工况
SiC MOSFET方案可以带来NVH性能方面的提升
——
图14：燃油车和电动汽车NVH性能对比
a) 逆变器+线缆+电机：基于PWM调制导致的高频电流切换以及高频电流谐波，引发的电磁噪声；
c) 涡旋机械结构: 由于压缩机动静涡旋盘在运行时会产生不平衡的旋转惯性力，这种周期性的不平衡力容易激发压缩机的高频振动。
图15：电动压缩机系统噪声激励源分析
图16: 人耳可感知的噪声频谱范围
促进电动空调压缩机系统的小型化
——
SiC MOSFET的持续降本能力较1200V IGBT器件更为突出
——
1．大尺寸晶圆的发展
图17: SiC MOSFET晶圆尺寸的发展
图18：不同尺寸下SiC MOSFET晶圆生产出的芯片数量
2. 单晶生长及衬底切割技术的突破
图19：浙江大学50mm厚6英寸SiC MOSFET单晶锭和衬底片
图20：Siltectra的冷切割技术
3．良率的持续提高
图21：SiC MOSFET器件前道工艺成本比例
4. 制造工艺及芯片结构的优化
图22：某国际知名厂商的SiC MOSFET芯片元胞结构
图23：平面型MOSFET到沟槽型MOSFET
总结
显著的能效提升
在保持同样续航里程下可显著降低电池成本，带来的电池成本降低远高于采用SiC MOSFET后的成本提升。
更宽的运行边界
为整车空调系统能耗优化提供了更多自由度的同时，更适宜电动汽车的超充工况以及超低温热泵工况，可显著降低压缩机在极端工况下的失效率，节省了整车厂和零部件供应商的售后维护成本。
更好的NVH性能
降低NVH避震、隔音系统的复杂度和成本。
促进电动压缩机系统小型化
高速小型化会带来电机以及机械结构的BOM成本下降。更小型和集成化的压缩机系统更容易做成标准平台化产品，适配多种车型，从而降低开发成本。
更强的持续降本能力
笔者团队一直信奉技术人员不应该对技术进行宗教性崇拜，要做工程商人，只有能卖出去钱的技术才有价值。市场上一些优秀的主机厂也已经开始注意到SiC MOSFET器件在热管理领域的优势，并已经在着手进行相关领域的研究开发工作。笔者相信，针对汽车电动空调压缩机的应用，SiC MOSFET技术的时代已然到来。总结
Reference:
关于致瞻
致瞻科技（上海）有限公司是国家高新技术企业，是一家聚焦于碳化硅半导体器件和先进电驱系统的高科技公司。公司研发运营总部位于上海市闵行区，拥有5000㎡高端碳化硅实验室。公司在浙江嘉兴拥有25000㎡数字化生产基地和60亩在建研发生产中心。同时，在江苏南京等地设立了研发机构。
致瞻科技秉持“开放、创新、成长、务实、执行”的核心价值观。致瞻科技汇聚原世界500强中央研究院的核心研发团队，拥有11位博士。多数成员毕业于中国及欧美著名高校，包括：清华、浙大、华科、南航、交大，慕尼黑工大（德）、德累斯顿工大（德）、阿肯色大学（美）、奥尔堡大学（丹）等海内外知名院校，博士及硕士占比超70%。
依托10余年的碳化硅功率模块和驱动系统研发经验，致瞻科技推出了SiCTeX系列碳化硅先进电驱系统和ZiPACK高性能碳化硅功率模块，已批量应用于新能源汽车、氢燃料电池系统、车载电动空调压缩机驱动、工业驱动以及航空/船舶电力推进、特种电气化动力系统等领域。公司已获得包括多家头部车厂及新能源客户等业界领先企业的批量订单，并积极与浙江大学、南京航空航天大学、清华大学等高校开展科研合作。