隨著汽車電動(dòng)化趨勢(shì)的崛起，2021年新賣出的車輛中，電動(dòng)汽車已經(jīng)占據(jù)了5%的份額。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)估，到2030年電動(dòng)汽車的份額將超過(guò)30%，上路的電動(dòng)汽車數(shù)量將達(dá)到1500萬(wàn)輛。
在汽車電氣化的牽引系統(tǒng)中，主逆變器中的功率模塊也多出了不少需求。首先自然是更大的功率，大功率意味著更大的扭矩。接著是更高的效率，在電池容量有限的情況下，更高的效率意味著更少的損失，等于更長(zhǎng)的里程。
還有就是更高的電壓，目前400V的電池已經(jīng)成為了主流標(biāo)配，但800V的系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始冒頭，比如保時(shí)捷Taycan和現(xiàn)代IONIQ5等。隨著快充需求的激增，800V的快充方案和800V的電池也即將普及，逆變器也必須要能夠經(jīng)受住這樣的高壓。
其次是更低的重量，重量的減少也讓整車重量變輕，降低了電機(jī)負(fù)載，進(jìn)而提升續(xù)航。最后是更小的體積，以便塞進(jìn)車軸里，提供更大的車內(nèi)空間。針對(duì)以上需求，業(yè)界普遍將碳化硅視為了替代IGBT的下一代方案。
汽車牽引系統(tǒng)中的碳化硅
那么在當(dāng)下汽車的動(dòng)力系統(tǒng)中，碳化硅靠什么優(yōu)勢(shì)來(lái)替代IGBT呢？碳化硅功率模塊是使用碳化硅半導(dǎo)體作為開(kāi)關(guān)的功率模塊，在汽車逆變器中用于高效地轉(zhuǎn)換電能。首先與硅材料相比，碳化硅的硬度更高，所以更適合燒結(jié)工藝，機(jī)械完整性更好。
碳化硅的另一大特質(zhì)就是高擊穿電壓，在400V朝800V的過(guò)渡下，擊穿電壓也必須要加倍。碳化硅的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為2500kV/cm，而硅材料只有300kV/cm，這意味碳化硅可以在更低的厚度下實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓。
接著就是眾所周知的散熱能力，碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的四倍以上，所以在散熱上更快，進(jìn)而減少電動(dòng)汽車在散熱上的成本。當(dāng)然最重要的屬性自然是其禁帶寬度了，碳化硅3.23eV的禁帶寬度帶來(lái)了更高的電子遷移率和更低的損失，開(kāi)關(guān)速度也更快。
VE-Trac Direct SiC / 安森美
為了進(jìn)一步擴(kuò)展碳化硅在汽車牽引逆變器的應(yīng)用，安森美推出了全新的900V碳化硅功率模塊VE-Trac Direct SiC，該模塊采用了six-pack的封裝，分為1.7 mΩ和2.2 mΩ 導(dǎo)通電阻的版本。市面上做到如此低電阻的并不多，大概也只有Wolfspeed的CAB760M12HM3之類的功率模塊才能與之對(duì)比了，其導(dǎo)通電阻做到了1.33 mΩ。
在測(cè)試仿真中，安森美將VE-Trac Direct SiC與VE-Trac Direct IGBT 820A進(jìn)行了對(duì)比，在使用同樣電池的情況下，碳化硅功率模塊可以提高5%的效率，意味著續(xù)航可以提升5%。這樣的效率提升也用來(lái)降低成本，如果里程為固定目標(biāo)的話，使用碳化硅功率模塊可以減小電池的容量，進(jìn)而減少5%的電池成本。最后，如果使用1.7 mΩ這樣的低阻碳化硅功率模塊的話，與820A IGBT相比，可以將功率提升29%。
在其碳化硅產(chǎn)品的線上會(huì)議中，安森美產(chǎn)品線經(jīng)理Jonathan Liao對(duì)未來(lái)碳化硅的產(chǎn)品以及800V電池帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)發(fā)表了自己的見(jiàn)解。首先碳化硅更高的擊穿電壓將進(jìn)一步促進(jìn)800V電池的普及，以更低的電流做到同樣的功率，從而減少發(fā)熱，而更高電壓的電池將提高車載逆變器的功率密度。
在汽車層面上，碳化硅實(shí)現(xiàn)了更高的電壓、更低的電流和更少的橫截面電纜和連接器，進(jìn)一步降低汽車重量。此外，碳化硅實(shí)現(xiàn)的更高充電功率，比如35kW以上，可以實(shí)現(xiàn)在20分鐘內(nèi)充夠80%的電量。Jonathan Liao也提到，雖然800V的趨勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，但未來(lái)還是高性能的車型會(huì)率先采用800V的架構(gòu)。
不僅如此，除了凝膠6-pack的模塊外，未來(lái)安森美也準(zhǔn)備推出轉(zhuǎn)移模塑的碳化硅模塊。利用先進(jìn)的互聯(lián)技術(shù)進(jìn)一步提升功率密度，甚至可以做到200攝氏度以上的工作溫度，擴(kuò)展碳化硅模塊的使用場(chǎng)景。
碳化硅普及的障礙
那么有了這些優(yōu)勢(shì)，為什么如今汽車逆變器方案中為何沒(méi)有普及碳化硅的使用呢？ Jonathan Liao給出了5大原因以及碳化硅的現(xiàn)狀。首先就是成本，相信不少了解碳化硅的人都知道碳化硅的價(jià)格要高于硅基IGBT，然而Jonathan Liao表示，目前碳化硅的成本固然要更高，但這主要體現(xiàn)在模塊成本上，然而若考慮整車成本，碳化硅的方案成本反而要更低一些。正如上文中提到的，碳化硅可以減少電池上的成本，而整車方案中往往成本最高的部分就是電池。
接著是供應(yīng)問(wèn)題，目前碳化硅材料只有少數(shù)幾家廠商提供，比如Wolfspeed、昭和電工和GT Advanced Technologies（GTAT）等。目前不少半導(dǎo)體公司的碳化硅產(chǎn)品，仍是靠與這些供應(yīng)商的合約來(lái)供應(yīng)。隨著安森美于今年收購(gòu)GTAT后，安森美有了自己生產(chǎn)碳化硅襯底和外延的能力，其晶圓廠也開(kāi)始準(zhǔn)備從150mm朝200mm轉(zhuǎn)移。
其次是技術(shù)成熟度，Jonathan Liao指出與IGBT相比，碳化硅確實(shí)技術(shù)成熟度比不上后者。但從該技術(shù)的發(fā)展速度、研發(fā)投入和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，無(wú)論是碳化硅半導(dǎo)體廠商還是汽車廠商，都認(rèn)為碳化硅技術(shù)已經(jīng)可以用于汽車牽引系統(tǒng)。
還有就是實(shí)現(xiàn)難度，因?yàn)檫@是一個(gè)快速開(kāi)關(guān)裝置，所以必須對(duì)原先的設(shè)計(jì)做出一些挑戰(zhàn)。最后是封裝問(wèn)題，目前碳化硅方案為了普及采用了與IGBT相近的封裝方案，隨著后續(xù)發(fā)展，也會(huì)慢慢轉(zhuǎn)向更加先進(jìn)的封裝方案，提高壽命、散熱乃至性能上的表現(xiàn)。
小結(jié)
固然碳化硅替代IGBT還面臨著不少挑戰(zhàn)，但從半導(dǎo)體巨頭堅(jiān)定投入的決心來(lái)看，這一寬禁帶半導(dǎo)體很快就會(huì)迎來(lái)在汽車市場(chǎng)的普及。ST、Wolfspeed、英飛凌、羅姆和安森美等國(guó)外廠商的激烈競(jìng)爭(zhēng)下，國(guó)內(nèi)的碳化硅企業(yè)要想冒頭也并非一件易事。