1/3的SiC用量、效率追平全SiC方案：详解小鹏混合硅/碳化硅逆变器

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在8月份，小鹏汽车宣布在IEEE旗舰刊物《IEEE Power Electronics Magazine》上发布了自研的混合硅/碳化硅（Hybrid Si/SiC）电驱牵引逆变器技术论文《Commercialization and Cost-Optimization of a Hybrid Si/SiC EV Traction Inverter》，电子发烧友网也对此进行了报道。

该论文提出的方案，在相同驱动循环下，混合逆变器将效率从全硅方案的96.3%提升至98.7%，实现了等效全SiC效率，同时SiC芯片使用量仅为全SiC方案的三分之一。

混合Si/SiC的方案，很多人可能是从特斯拉在2023年宣布在下一代平台上减少75%碳化硅用量的新闻中了解到。实际上混合Si/SiC只是很多业内人士推测特斯拉会使用的一种方案，而这类方案在更早前就已经在学术界有所研究，但量产始终是问题。

小鹏官方表示，该方案通过近700台X9工程车辆验证，在2025年11月进入量产，截至论文投稿时超过15000台搭载该方案的车辆行驶在路上，并已平台化应用于小鹏GX、MONA M03和MONA L03。在近期上市的小鹏G9L上，官方资料中同样显示采用了混合碳化硅电驱。

从推动混合Si/SiC方案商用落地的角度来说，小鹏确实是走得比较前。但当时在官方新闻稿中没有太多技术细节披露，最近我们找到了论文原文，也了解到了更多的细节。

混合碳化硅，难在哪？

论文中，小鹏将过去十多年业界无法量产混合Si/SiC逆变器的原因，总结成三点。

首先，第一个问题是：芯片面积如何配比？

一直以来，业界研究混合Si/SiC方案的逻辑是，如何在不降低效率的情况下降低成本。那么该用多少Si、多少SiC，就是方案首先面临的问题，或者换个说法：Si/SiC 的面积比直接决定成本与效率。

小鹏在论文中指出，Si芯片占用的面积比例过大，会增加SiC MOSFET的热应力，过小则会推高成本。因为在混合方案中，SiC负责开关的工作模式里，在开关瞬间IGBT处于ZVS零电压开关状态，不承担载流，电流全部走SiC MOSFET。

如果为了节省成本，SiC芯片占用面积比例小了，那么就相当于用更小的芯片承载同样的电流，也就导致SiC MOSFET承受过流过热的风险。

第二个问题在于，电流能力受限于IGBT。传统的混合方案思路是，让面积较小的SiC MOSFET负责轻载开关、大面积的Si IGBT负责重载导通，这意味着最大电流能力完全由 IGBT 决定。

在这类方案的思路中，IGBT必须在大电流下开关，热量只能靠面积摊掉；而面积继续做大，又会推高Si/SiC面积比、加剧SiC MOSFET的热应力问题。

第三个问题是系统控制策略不成熟。现有的做法是轻载时MOSFET 优先开关（IGBT 处于零电压开关ZVS状态）、重载时IGBT优先。但IGBT在大电流下开关损耗显著，有方案选择在重载时降低载波频率来缓解，但代价是谐波增加与严重的声学噪声。

小鹏的控制策略；四种开关模式覆盖全工况

小鹏的解决思路是，既然小面积SiC芯片在大电流下无法开关，那就不让它开关。团队在相电流最高的区间改用离散脉宽调制（DPWM），使IGBT与SiC MOSFET都完全避免在大电流下进行开关动作。

论文给出的配置是，每个开关组仅用50 mm² SiC MOSFET、125 mm² IGBT 和50 mm² SBD（ 1 颗 Si IGBT、2 颗 SiC MOSFET 和 2 颗 SBD 均 1200 V 额定），即可在810 V母线电压下输出480 A RMS相电流。相较传统解决方案为承载400 A所需的386.3 mm² IGBT，面积降到约三分之一，电流能力反而提升20%。

当然，DPWM调制也有代价，DPWM等效开关频率较低，会带来驱动单元的噪声、振动与声振粗糙度（NVH）问题，因此不能在全域使用。四个切换点必须在逆变器设计早期，依据全工况的实际损耗表现标定。

论文表示，SiC MOSFET 的导通压降与IGBT的Vce约在100 A处交叉，100 A以下SiC更低，100 A以上IGBT 更低；同时由于拖尾电流，IGBT 的关断损耗始终最高。配合面积设计，小鹏在全负载范围部署了四种开关模式。

模式1（0 ≤ |i| ≤ 150 A）：仅 SiC MOSFET 开关，IGBT 完全空闲。此区间电流小，SiC 独力即可承担，效率最高。
模式2（150 < |i| ≤ 545 A）：SiC MOSFET 先开通、后关断，承担开关损耗；IGBT 在 ZVS 条件下开关且仅负责导通电流。此时 SiC 的导通损耗已超过 IGBT，但开关损耗仍更低，分工正好互补。
模式3（545 < |i| ≤ 570 A）：IGBT 先开通、先关断，承担开通损耗；SiC MOSFET 以 ZVS 开通、硬关断，承担关断损耗，两者同时导通电流。开通与关断损耗被分派给各自更擅长的器件。
模式4（570 < |i| ≤ 678 A）：IGBT 承担开关损耗，SiC MOSFET 仅处 ZVS 导通。论文坦承这个模式并非理想状态，之所以这样选择，是因为 SiC 芯片面积仅 50 mm²，大电流下开通会触发退饱和保护。这也是DPWM介入的区间。

小结

显然，目前小鹏多款车型的量产落地，已经证明了混合碳化硅方案的可行性，而在实际表现中，确实这套方案展现出与此前全碳化硅方案的同等效率，在续航里程上表现相近。尽管如今SiC成本正在不断降低，但混合SiC/Si这条路径在中期依然具备供应链上的优势，而这套方案的控制逻辑和工程范式，也将会在未来全SiC逆变器上体现其价值。

1/3的SiC用量、效率追平全SiC方案：详解小鹏混合硅/碳化硅逆变器图3

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