- 回答星友xuu的提問，關于SiC功率器件在純電動卡車中的應用解析- 文字原創(chuàng)，素材來源：各廠商，網絡

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導語：前段時間，星友xuu提到了一個話題：在電動重卡領域，sic和si究竟誰更適合？SiC相比Si在效率方面優(yōu)勢有多大？這背后的機理是什么呢？

在全球能源轉型與綠色交通浪潮下，純電動卡車作為商用車重要發(fā)展方向備受矚目。它應用場景特殊，需應對高負載長距離運輸、嚴苛環(huán)境，且經濟性敏感，這使得驅動系統(tǒng)功率半導體材料選擇極為關鍵。今天，我們來剖析下純電動卡車應用特點，對比SiC功率器件與IGBT工作特性及系統(tǒng)性能差異，了解SiC在提升卡車性能上的優(yōu)勢。

目錄1.電動卡車的應用場景和工況特點是什么？2. SiC功率器件與IGBT的工作特性對比

2.1 高溫耐受性

2.2 高頻開關特性(知識星球發(fā)布)

2.3 高壓適配性(知識星球發(fā)布)

3. SiC vs. Si：系統(tǒng)性能差異及對純電動卡車的適應性(知識星球發(fā)布)

3.1 效率、續(xù)航里程，孰優(yōu)孰劣？(知識星球發(fā)布)

3.2 高負載、熱管理，孰優(yōu)孰劣？(知識星球發(fā)布)

3.3 高壓系統(tǒng)適配性，孰優(yōu)孰劣？(知識星球發(fā)布)

04 總結

注：以上內容技術資料、拓展閱讀知識星球中發(fā)布(點擊文末"閱讀原文"加入)

01

電動卡車的應用場景和工況特點是什么？

在正式開始今天話題之前，我們先來深入探討一下純電動卡車作為商用車主力，在應用場景與工況特點方面究竟有什么特點？

首先，我們來看高負載與長距離運輸這一特點。純電動卡車日均行駛里程相當長，能達到200 - 500km/天。同時，對載重能力的要求也很高，一般要大于10噸。這就意味著它的動力系統(tǒng)必須持續(xù)輸出高扭矩，通常要大于1000 N·m?？梢韵胂?，這么高的載重和行駛里程，對動力系統(tǒng)的要求是非常嚴格的。

從具體的典型工況來看，像城際物流、港口運輸以及礦山作業(yè)這些場景，都是純電動卡車常見的“戰(zhàn)場”。在這些場景中，頻繁啟停以及爬坡的情況占比超過30%。比如，在港口運輸時，車輛需要不斷地啟動、停止來裝卸貨物；在礦山作業(yè)中，爬坡更是家常便飯，這就要求車輛的動力系統(tǒng)必須足夠強大，才能應對這些復雜且高強度的工況。

接下來，我們說說嚴苛環(huán)境適應性。純電動卡車常常需要在一些極端的環(huán)境下工作，像高溫、高振動的環(huán)境，在礦區(qū)就特別常見。在這種環(huán)境下，對功率器件的要求非常高，其耐溫能力一般要達到175°C，而且還得具備較強的抗機械沖擊能力。

最后，我們談談經濟性敏感這一點。對于商用車來說，運營成本是至關重要的。在純電動卡車的運營總成本中，燃油成本占比高達35%。所以，如果采用電動化技術，就必須顯著降低能耗，這樣才能提升TCO，也就是總擁有成本。只有降低了總擁有成本，純電動卡車在市場上才更有競爭力，也才能更好地滿足商用車運營者的需求。

以上就是純電動卡車在應用場景與工況特點方面的主要內容，這個非常重要，是我們定義技術路線的大前提。只有深度地理解場景與工況，才能明確我們的目標產品要做成"什么樣子"，進一步利用這些場景，最大限度地發(fā)揮出目標產品的優(yōu)勢。

今天我們不展開，僅聚焦于驅動系統(tǒng)的功率半導體材料方面做一定程度探討。下面我們再來從SiC和Si器件特性視角，聊一聊：究竟哪種材料更適合純電動卡車的應用？

02

SiC功率器件與IGBT的工作特性對比

2.1 高溫耐受性

我們在之前多次提到過：SiC材料的禁帶寬度（3.26 eV）是Si（1.12 eV）的3倍，使其能在更高溫度下穩(wěn)定工作。

SiC器件的理論工作溫度可達600°C，而受封裝材料限制，目前通用的實際應用溫度約為175°C，仍顯著高于Si-IGBT的150°C極限。高溫下，SiC的漏電流幾乎無顯著增加，且熱導率更高（4.9 W/cm·K vs. Si的1.5 W/cm·K），散熱需求更低，適合卡車長時間高負載運行。

| SysPro備注：很多朋友問到為什么禁帶寬度越寬溫度穩(wěn)定性越好？有個很好玩的比喻，半導體材料就像一座“電子游樂場”，而禁帶寬度就像是這座游樂場入口的“身高限制”。

對于Si，游樂場入口的身高限制比較低，只有1.12米（對應Si的禁帶寬度1.12 eV），當溫度升高（就像天氣變熱），很多電子會很容易地跳過這個低矮的“身高限制”，進入游樂場（即從價帶躍遷到導帶）。這些“電子”在游樂場里亂跑（形成漏電流），會導致游樂場秩序混亂（器件性能下降或失效）;

而對于SiC而言，身高限制很高，有3.26米（對應SiC的禁帶寬度3.26 eV），即使天氣非常熱（溫度很高），“電子”也很難跳過這個高高的“身高限制”。因此，游樂場里保持相對安靜和有序（漏電流小，器件性能穩(wěn)定），能夠繼續(xù)正常運營...

這就解釋了為什么說：禁帶寬度決定了電子從價帶躍遷到導帶所需的能量。禁帶越寬，電子躍遷所需的能量就越高。

2.2 高頻開關特性

(知識星球發(fā)布)

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2.3 高壓適配性

(知識星球發(fā)布)

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了解了SiC和IGBT的差異，那么，兩種材料在系統(tǒng)性層級上表現又有什么不同呢？特別是對于純電卡車上的應用，有何差異？

03

SiC vs. Si：系統(tǒng)性能差異及對純電動卡車的適應性

(知識星球發(fā)布)

3.1 效率、續(xù)航里程，孰優(yōu)孰劣？為什么？

在純電動卡車的動力系統(tǒng)中，效率與續(xù)航是兩大核心指標...

3.2 高負載、熱管理，孰優(yōu)孰劣？為什么？

正如我們再01中提到的：純電動卡車在運輸過程中，經常需要面對連續(xù)爬坡、重載運輸等高負載場景。這些場景對動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和熱管理能力提出了極高要求...

...

|SysPro備注，參考文章：

SiC功率半導體可靠性全面解析：失效的本質、缺陷控制手段、失效率測試兩種方法

3.3 高壓系統(tǒng)適配性，孰優(yōu)孰劣？為什么？

最后，我們再來看看高壓室配飾，SiC or Si，孰優(yōu)孰劣？

...

SiC還有個附加價值：SiC器件的單管并聯結構也使其比IGBT模塊更易實現均流...

04 總結

OK，總結一下。純電動卡車作為商用車的主力軍，應用場景十分特殊。它面臨著高負載與長距離運輸的任務，日均行駛里程長、載重大，對動力系統(tǒng)要求極高。同時，還得適應高溫、高振動等嚴苛環(huán)境，而且運營者對經濟性非常敏感。

而 SiC 功率器件和 IGBT 相比...

在寫上述內容的過程中，比較好奇一個點：除了 SiC 之外，還有沒有其他新型半導體材料，可能在純電動卡車驅動系統(tǒng)功率半導體領域展現出巨大的潛力呢？這個問題留到后面，我們再專題聊一聊。感謝xuu的提問，感謝讀者朋友們的閱讀，希望有所幫助！

以上是關于SiC功率器件在純電動卡車中的應用解析(節(jié)選)，完整版解讀在知識星球[SysPro|電動汽車動力系統(tǒng)性能解讀]專欄發(fā)布，歡迎閱讀學習。上述參考文獻、技術報告、SIC應用手冊、IGBT應用手冊已上傳知識星球，建議結合相關相關文件一并查閱學習。感謝你的閱讀，希望有所幫助！