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(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等方面的應(yīng)用潛力。對(duì)碳化硅控制器發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，歸納了碳化硅控制器呈現(xiàn)出的“四高”發(fā)展趨勢(shì)，即高功率密度、高可靠性、高效率、高智能化水平，并進(jìn)一步探討了新能源輕卡碳化硅控制器的發(fā)展前景，以提高新能源輕卡的整體競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)清潔能源的推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：新能源輕卡；碳化硅控制器；產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2024-03-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408002

1 前言

隨著能源消耗和環(huán)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(guān)注和推廣。新能源輕卡中的關(guān)鍵控制器在保證車輛正常運(yùn)行和性能穩(wěn)定方面起著重要作用[1-2]。

作為一種具有高導(dǎo)熱性、高硬度、耐高溫性、低誤差電阻和優(yōu)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(yīng)用場(chǎng)景。與傳統(tǒng)的二極管材料相比，碳化硅具有更低的開關(guān)導(dǎo)通損耗、更高的崩潰電壓和更好的溫度穩(wěn)定性。因此碳化硅控制器具有較為廣闊的應(yīng)用前景，且對(duì)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(yīng)用，通過梳理碳化硅控制器的發(fā)展歷程、分析其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，評(píng)估新能源輕卡碳化硅控制器的發(fā)展前景，從而為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展方向提供一定的參考，有利于推動(dòng)新能源輕卡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)清潔能源的推廣和應(yīng)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(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性和高載流能力的半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)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(gè)主要特性：

a.高溫特性：碳化硅的熔點(diǎn)約為2 730 °C，遠(yuǎn)高于常見的硅材料。這使得碳化硅能夠在高溫環(huán)境下工作，不易發(fā)生熱衰減。高溫性能的提升可以降低設(shè)備散熱需求，減小系統(tǒng)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(chǎng)強(qiáng)度，可以承受更高的工作電壓。相比之下，硅材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度較低。因此，在一些高電壓應(yīng)用中，碳化硅控制器具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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(yīng)用中能夠提供更高的效能。

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

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

基于上述特性，碳化硅控制器能夠在新能源輕卡電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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(dòng)新能源輕卡技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)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(dǎo)體特性，當(dāng)電能輸入碳化硅控制器時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的PN結(jié)和MOSFET組成的開關(guān)電路將電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化和控制。當(dāng)輸入電壓大于一定的閾值電壓時(shí)，碳化硅控制器開啟開關(guān)電路，將電能傳輸?shù)捷敵龆?。反之，?dāng)輸入電壓小于閾值電壓時(shí)，碳化硅控制器關(guān)閉開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)電能的截?cái)嗪屯Ｖ箓鬏敗?/p>

在碳化硅控制器的工作過程中，它具有快速開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和低開關(guān)電阻的特點(diǎn)，從而能夠有效地控制電流的流動(dòng)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(huán)境，具有更好的可靠性和穩(wěn)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(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。通過碳化硅控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電控制、電機(jī)的精確驅(qū)動(dòng)以及充電系統(tǒng)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(guān)鍵設(shè)備之一，其工作原理基于碳化硅半導(dǎo)體特性，通過開啟和關(guān)閉開關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸和控制。通過對(duì)碳化硅控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估，可以提升新能源輕卡的整體性能和可靠性。未來(lái)，在碳化硅材料和半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展下，碳化硅控制器有望在新能源輕卡領(lǐng)域展現(xiàn)出更大的潛力和應(yīng)用前景。

23 碳化硅控制器在新能源輕卡中的應(yīng)用

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

a.在電動(dòng)汽車中，碳化硅控制器可以用于電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制。

碳化硅控制器能夠高效地控制電機(jī)的運(yùn)行，提供準(zhǔn)確的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的節(jié)能、高效行駛。通過精細(xì)的控制，在不同的行駛條件下，碳化硅控制器可以根據(jù)電池電量和電機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率，以最優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)力的輸出。此外，碳化硅控制器還能夠提供電機(jī)的保護(hù)功能，如電機(jī)過流和過溫保護(hù)，以確保電機(jī)的安全運(yùn)行。

b.碳化硅控制器還廣泛應(yīng)用于新能源輕卡的能量管理系統(tǒng)中。

新能源輕卡通常包括多種能源存儲(chǔ)裝置，如電池組、超級(jí)電容器等。通過使用碳化硅控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些能源存儲(chǔ)裝置的精確控制和管理。碳化硅控制器可以監(jiān)測(cè)和調(diào)整能源存儲(chǔ)裝置的充放電過程，以確保能量的高效利用和延長(zhǎng)電池組的壽命。碳化硅控制器還可以實(shí)現(xiàn)能量的回饋和回收，將電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量或過剩能量轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，進(jìn)一步提高能源利用率。

c.碳化硅控制器還可以應(yīng)用于電動(dòng)汽車的充電系統(tǒng)。

充電系統(tǒng)是電動(dòng)汽車重要的配套設(shè)施，碳化硅控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的充電過程進(jìn)行控制和管理。碳化硅控制器可以根據(jù)電池組的狀態(tài)和充電需求，調(diào)整充電電流和充電電壓，以最佳充電效果進(jìn)行充電，同時(shí)確保充電過程的安全性和穩(wěn)定性。此外，碳化硅控制器還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，提供充電過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

碳化硅控制器在新能源輕卡中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對(duì)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和充電系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)更為高效、節(jié)能的行駛方式。隨著碳化硅技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，碳化硅控制器在新能源輕卡中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

3 碳化硅控制器的發(fā)展現(xiàn)狀

31 碳化硅控制器發(fā)展歷程

碳化硅控制器的發(fā)展大致可分為市場(chǎng)導(dǎo)入期、性能優(yōu)化期、需求增長(zhǎng)期這三個(gè)階段（圖1）。

a.市場(chǎng)導(dǎo)入期。

碳化硅的商業(yè)應(yīng)用可追溯至20世紀(jì)80年代，而碳化硅控制器的發(fā)展歷程大致從20世紀(jì)90年代初開始。當(dāng)時(shí)碳化硅材料開始被廣泛研究和應(yīng)用于功率電子設(shè)備中，然而，由于當(dāng)時(shí)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(yōu)化期。

英飛凌在2001年研發(fā)出SiC肖特基二極管后，SiC的量產(chǎn)產(chǎn)品陸續(xù)被推向市場(chǎng)，且各項(xiàng)性能指標(biāo)不斷得到提升。2010年，羅姆公司實(shí)現(xiàn)了一款大功率SiC MOSFET模塊的批量生產(chǎn)；2011年，Wolfspeed公司推出一款耐壓高達(dá)1 200 V的SiC MOSFET。半導(dǎo)體行業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，碳化硅控制器的性能也在多個(gè)方面不斷優(yōu)化。首先，隨著碳化硅材料制備工藝的改進(jìn)，制備出的碳化硅材料具有更高的純度和更好的晶體質(zhì)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(kuò)展，使其能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。此外，碳化硅控制器的開關(guān)速度也得到了提高，使其在高頻應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

c.需求增長(zhǎng)期。

近年來(lái)，隨著新能源汽車得到市場(chǎng)越來(lái)越廣泛的認(rèn)可，碳化硅功率器件在電機(jī)控制器中的應(yīng)用需求也將呈現(xiàn)爆發(fā)態(tài)勢(shì)，越來(lái)越多的企業(yè)、機(jī)構(gòu)著手研究碳化硅控制器的開發(fā)工作。未來(lái)，碳化硅控制器的發(fā)展趨勢(shì)將呈現(xiàn)以下幾個(gè)方面：首先，將繼續(xù)改進(jìn)碳化硅材料的制備工藝，提高其質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)的均勻性；其次，將進(jìn)一步提高碳化硅控制器的功率密度，實(shí)現(xiàn)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(wěn)定性的提高，以滿足新能源輕卡日益增長(zhǎng)的需求。

32 碳化硅控制器研究現(xiàn)狀

目前，碳化硅控制器在新能源輕卡領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)碳化硅材料的特性和控制器的工作原理進(jìn)行了深入研究，并探索了其在新能源輕卡中的應(yīng)用。

在國(guó)內(nèi)，許多研究機(jī)構(gòu)和高校都對(duì)碳化硅控制器進(jìn)行了研究。例如，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在碳化硅控制器的硬件設(shè)計(jì)方面做出了重要貢獻(xiàn)。他們通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和材料選擇，提高了控制器的效能和可靠性。同時(shí)，他們還進(jìn)行了控制器的軟件設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化的工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新能源輕卡系統(tǒng)的精確控制。

在國(guó)外，美國(guó)、德國(guó)、日本等也在碳化硅控制器的研究和發(fā)展方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)研究人員主要關(guān)注碳化硅材料的特性及其在電動(dòng)汽車控制器中的應(yīng)用。德國(guó)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(dòng)汽車的需求。日本研究人員則在控制器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面做出了一些創(chuàng)新工作，提高了控制器的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性[12]。

4 新能源輕卡碳化硅控制器的發(fā)展趨勢(shì)

41 碳化硅控制器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在新能源輕卡領(lǐng)域，碳化硅控制器作為關(guān)鍵技術(shù)之一[13-14]，將在以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步的發(fā)展和優(yōu)化：

a.高功率密度。隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)和電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)碳化硅控制器的功率密度要求也會(huì)越來(lái)越高。未來(lái)的碳化硅控制器將采用更高效的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和更緊湊的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)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(huán)境下容易發(fā)生故障，影響其可靠性。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是針對(duì)這一問題進(jìn)行解決，通過改進(jìn)材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高碳化硅控制器的耐高溫性能，確保其在各種惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

c.高效率。提高效率是科技發(fā)展的一項(xiàng)重要目標(biāo)，對(duì)于碳化硅控制器也不例外。未來(lái)的碳化硅控制器將采用更高效的功率設(shè)計(jì)和優(yōu)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(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，碳化硅控制器將逐漸實(shí)現(xiàn)智能化控制和自適應(yīng)調(diào)節(jié)。未來(lái)的碳化硅控制器將具備故障自診斷功能、智能優(yōu)化調(diào)節(jié)功能和與其他車輛系統(tǒng)的無(wú)縫連接能力，提高整個(gè)系統(tǒng)的智能化水平和駕駛體驗(yàn)。

綜上所述，碳化硅控制器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)包括提高功率密度、提高可靠性、提高效率和實(shí)現(xiàn)智能化。這些發(fā)展趨勢(shì)將在新能源輕卡領(lǐng)域推動(dòng)碳化硅控制器的應(yīng)用，并為新能源輕卡的性能提升和市場(chǎng)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

42 新能源輕卡碳化硅控制器的發(fā)展前景

新能源輕卡是未來(lái)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車高效率和高性能方面具有重要作用，在技術(shù)與市場(chǎng)等方面具有較大的發(fā)展?jié)摿15-18]。

a.需求增大，順應(yīng)新能源輕卡增長(zhǎng)市場(chǎng)。

在新能源輕卡市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)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(shù)的不斷成熟和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，碳化硅控制器將在電動(dòng)汽車中得到廣泛應(yīng)用。由于碳化硅材料具有優(yōu)異的耐高溫、高耐壓和低導(dǎo)通損耗等特性，碳化硅控制器能夠有效提高電動(dòng)汽車的能效和電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，從而實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更高的性能。

b.成本降低，提升新能源輕卡經(jīng)濟(jì)性。

隨著碳化硅材料制造工藝的不斷改進(jìn)和成本的降低，碳化硅控制器的價(jià)格將逐漸下降，進(jìn)一步推動(dòng)其在新能源輕卡中的應(yīng)用。目前，碳化硅材料的制造工藝已經(jīng)逐漸成熟，大規(guī)模生產(chǎn)的能力不斷提升。與傳統(tǒng)的硅材料相比，碳化硅材料的價(jià)格相對(duì)較高。然而，隨著工藝的進(jìn)一步改進(jìn)和規(guī)模效應(yīng)的發(fā)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(chǎng)上具備更大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

c.性能優(yōu)化，擴(kuò)展控制器應(yīng)用領(lǐng)域。

隨著碳化硅控制器技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，其性能也將得到進(jìn)一步提升。目前，碳化硅控制器在電動(dòng)汽車中主要應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)等關(guān)鍵部位。然而，隨著對(duì)碳化硅材料性能的深入研究和技術(shù)的突破，碳化硅控制器將能夠應(yīng)用于更多新領(lǐng)域，如電池管理系統(tǒng)、智能充電系統(tǒng)等。這將進(jìn)一步提升電動(dòng)汽車的性能和安全性，滿足消費(fèi)者對(duì)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(fā)展前景。通過加強(qiáng)對(duì)碳化硅控制器技術(shù)的研究和創(chuàng)新，提高其性能和降低制造成本，能夠推動(dòng)新能源輕卡產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。未來(lái)，新能源輕卡碳化硅控制器有望在提升電動(dòng)汽車性能、延長(zhǎng)續(xù)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(yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過分析碳化硅的特性和工作原理，發(fā)現(xiàn)碳化硅控制器能夠滿足新能源輕卡對(duì)高效、高性能控制器的需求，且在電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等多方面得到廣泛應(yīng)用。碳化硅控制器經(jīng)歷了市場(chǎng)導(dǎo)入期、性能優(yōu)化器、需求增長(zhǎng)期等發(fā)展階段，相關(guān)研究主要集中在硬件和軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、性能評(píng)估與優(yōu)化以及在新能源輕卡中的應(yīng)用等方面，未來(lái)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(fā)展。隨著市場(chǎng)需求的增大、制造成本的降低、工作性能的優(yōu)化，新能源輕卡碳化硅控制器具有越來(lái)越廣闊的發(fā)展前景。

但是，關(guān)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(duì)較高，限制了其在新能源輕卡中的大規(guī)模應(yīng)用。碳化硅控制器在高溫環(huán)境下的可靠性也有待進(jìn)一步提高。此外，碳化硅控制器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化仍需深入探索。未來(lái)的研究可以著重從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及性能評(píng)估與優(yōu)化等方面入手，以推動(dòng)新能源輕卡碳化硅控制器的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

郭剛，男，1988年生，助理工程師，研究方向?yàn)檩p卡產(chǎn)品需求。