SiC功率器件在纯电动卡车中的应用的秘密

- 回答星友xuu的提问，关于SiC功率器件在纯电动卡车中的应用解析- 文字原创，素材来源：各厂商，网络

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导语：前段时间，星友xuu提到了一个话题：在电动重卡领域，sic和si究竟谁更适合？SiC相比Si在效率方面优势有多大？这背后的机理是什么呢？

在全球能源转型与绿色交通浪潮下，纯电动卡车作为商用车重要发展方向备受瞩目。它应用场景特殊，需应对高负载长距离运输、严苛环境，且经济性敏感，这使得驱动系统功率半导体材料选择极为关键。今天，我们来剖析下纯电动卡车应用特点，对比SiC功率器件与IGBT工作特性及系统性能差异，了解SiC在提升卡车性能上的优势。

目录1.电动卡车的应用场景和工况特点是什么？2. SiC功率器件与IGBT的工作特性对比

2.1 高温耐受性

2.2 高频开关特性(知识星球发布)

2.3 高压适配性(知识星球发布)

3. SiC vs. Si：系统性能差异及对纯电动卡车的适应性(知识星球发布)

3.1 效率、续航里程，孰优孰劣？(知识星球发布)

3.2 高负载、热管理，孰优孰劣？(知识星球发布)

3.3 高压系统适配性，孰优孰劣？(知识星球发布)

04 总结

注：以上内容技术资料、拓展阅读知识星球中发布(点击文末"阅读原文"加入)

01

电动卡车的应用场景和工况特点是什么？

在正式开始今天话题之前，我们先来深入探讨一下纯电动卡车作为商用车主力，在应用场景与工况特点方面究竟有什么特点？

首先，我们来看高负载与长距离运输这一特点。纯电动卡车日均行驶里程相当长，能达到200 - 500km/天。同时，对载重能力的要求也很高，一般要大于10吨。这就意味着它的动力系统必须持续输出高扭矩，通常要大于1000 N·m。可以想象，这么高的载重和行驶里程，对动力系统的要求是非常严格的。

从具体的典型工况来看，像城际物流、港口运输以及矿山作业这些场景，都是纯电动卡车常见的“战场”。在这些场景中，频繁启停以及爬坡的情况占比超过30%。比如，在港口运输时，车辆需要不断地启动、停止来装卸货物；在矿山作业中，爬坡更是家常便饭，这就要求车辆的动力系统必须足够强大，才能应对这些复杂且高强度的工况。

接下来，我们说说严苛环境适应性。纯电动卡车常常需要在一些极端的环境下工作，像高温、高振动的环境，在矿区就特别常见。在这种环境下，对功率器件的要求非常高，其耐温能力一般要达到175°C，而且还得具备较强的抗机械冲击能力。

最后，我们谈谈经济性敏感这一点。对于商用车来说，运营成本是至关重要的。在纯电动卡车的运营总成本中，燃油成本占比高达35%。所以，如果采用电动化技术，就必须显著降低能耗，这样才能提升TCO，也就是总拥有成本。只有降低了总拥有成本，纯电动卡车在市场上才更有竞争力，也才能更好地满足商用车运营者的需求。

以上就是纯电动卡车在应用场景与工况特点方面的主要内容，这个非常重要，是我们定义技术路线的大前提。只有深度地理解场景与工况，才能明确我们的目标产品要做成"什么样子"，进一步利用这些场景，最大限度地发挥出目标产品的优势。

今天我们不展开，仅聚焦于驱动系统的功率半导体材料方面做一定程度探讨。下面我们再来从SiC和Si器件特性视角，聊一聊：究竟哪种材料更适合纯电动卡车的应用？

02

SiC功率器件与IGBT的工作特性对比

2.1 高温耐受性

我们在之前多次提到过：SiC材料的禁带宽度（3.26 eV）是Si（1.12 eV）的3倍，使其能在更高温度下稳定工作。

SiC器件的理论工作温度可达600°C，而受封装材料限制，目前通用的实际应用温度约为175°C，仍显著高于Si-IGBT的150°C极限。高温下，SiC的漏电流几乎无显著增加，且热导率更高（4.9 W/cm·K vs. Si的1.5 W/cm·K），散热需求更低，适合卡车长时间高负载运行。

| SysPro备注：很多朋友问到为什么禁带宽度越宽温度稳定性越好？有个很好玩的比喻，半导体材料就像一座“电子游乐场”，而禁带宽度就像是这座游乐场入口的“身高限制”。

对于Si，游乐场入口的身高限制比较低，只有1.12米（对应Si的禁带宽度1.12 eV），当温度升高（就像天气变热），很多电子会很容易地跳过这个低矮的“身高限制”，进入游乐场（即从价带跃迁到导带）。这些“电子”在游乐场里乱跑（形成漏电流），会导致游乐场秩序混乱（器件性能下降或失效）;

而对于SiC而言，身高限制很高，有3.26米（对应SiC的禁带宽度3.26 eV），即使天气非常热（温度很高），“电子”也很难跳过这个高高的“身高限制”。因此，游乐场里保持相对安静和有序（漏电流小，器件性能稳定），能够继续正常运营...

这就解释了为什么说：禁带宽度决定了电子从价带跃迁到导带所需的能量。禁带越宽，电子跃迁所需的能量就越高。

2.2 高频开关特性

(知识星球发布)

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2.3 高压适配性

(知识星球发布)

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了解了SiC和IGBT的差异，那么，两种材料在系统性层级上表现又有什么不同呢？特别是对于纯电卡车上的应用，有何差异？

03

SiC vs. Si：系统性能差异及对纯电动卡车的适应性

(知识星球发布)

3.1 效率、续航里程，孰优孰劣？为什么？

在纯电动卡车的动力系统中，效率与续航是两大核心指标...

3.2 高负载、热管理，孰优孰劣？为什么？

正如我们再01中提到的：纯电动卡车在运输过程中，经常需要面对连续爬坡、重载运输等高负载场景。这些场景对动力系统的稳定性和热管理能力提出了极高要求...

...

|SysPro备注，参考文章：

SiC功率半导体可靠性全面解析：失效的本质、缺陷控制手段、失效率测试两种方法

3.3 高压系统适配性，孰优孰劣？为什么？

最后，我们再来看看高压室配饰，SiC or Si，孰优孰劣？

...

SiC还有个附加价值：SiC器件的单管并联结构也使其比IGBT模块更易实现均流...

04 总结

OK，总结一下。纯电动卡车作为商用车的主力军，应用场景十分特殊。它面临着高负载与长距离运输的任务，日均行驶里程长、载重大，对动力系统要求极高。同时，还得适应高温、高振动等严苛环境，而且运营者对经济性非常敏感。

而 SiC 功率器件和 IGBT 相比...

在写上述内容的过程中，比较好奇一个点：除了 SiC 之外，还有没有其他新型半导体材料，可能在纯电动卡车驱动系统功率半导体领域展现出巨大的潜力呢？这个问题留到后面，我们再专题聊一聊。感谢xuu的提问，感谢读者朋友们的阅读，希望有所帮助！

以上是关于SiC功率器件在纯电动卡车中的应用解析(节选)，完整版解读在知识星球[SysPro|电动汽车动力系统性能解读]专栏发布，欢迎阅读学习。上述参考文献、技术报告、SIC应用手册、IGBT应用手册已上传知识星球，建议结合相关相关文件一并查阅学习。感谢你的阅读，希望有所帮助！