隨著汽車電動化趨勢的崛起，2021年新賣出的車輛中,，電動汽車已經(jīng)占據(jù)了5%的份額,。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)預(yù)估，到2030年電動汽車的份額將超過30%,，上路的電動汽車數(shù)量將達到1500萬輛,。
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)成為了主流標配，但800V的系統(tǒng)已經(jīng)開始冒頭,，比如保時捷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,，降低了電機負載，進而提升續(xù)航,。最后是更小的體積,，以便塞進車軸里，提供更大的車內(nèi)空間,。針對以上需求,，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
那么在當下汽車的動力系統(tǒng)中，碳化硅靠什么優(yōu)勢來替代IGBT呢,？碳化硅功率模塊是使用碳化硅半導體作為開關(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的過渡下，擊穿電壓也必須要加倍,。碳化硅的擊穿場強為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,，碳化硅的導熱系數(shù)是硅的四倍以上，所以在散熱上更快,，進而減少電動汽車在散熱上的成本,。當然最重要的屬性自然是其禁帶寬度了，碳化硅3.23eV的禁帶寬度帶來了更高的電子遷移率和更低的損失,，開關(guān)速度也更快,。
VE-Trac Direct SiC / 安森美
為了進一步擴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比了,，其導通電阻做到了1.33 mΩ。
在測試仿真中,，安森美將VE-Trac Direct SiC與VE-Trac Direct IGBT 820A進行了對比,，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降低成本，如果里程為固定目標的話,，使用碳化硅功率模塊可以減小電池的容量,，進而減少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)品的線上會議中,，安森美產(chǎn)品線經(jīng)理Jonathan Liao對未來碳化硅的產(chǎn)品以及800V電池帶來的優(yōu)勢發(fā)表了自己的見解,。首先碳化硅更高的擊穿電壓將進一步促進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，進一步降低汽車重量,。此外,，碳化硅實現(xiàn)的更高充電功率，比如35kW以上,，可以實現(xiàn)在20分鐘內(nèi)充夠80%的電量,。Jonathan Liao也提到，雖然800V的趨勢已經(jīng)開始顯現(xiàn),，但未來還是高性能的車型會率先采用800V的架構(gòu),。
不僅如此，除了凝膠6-pack的模塊外,，未來安森美也準備推出轉(zhuǎn)移模塑的碳化硅模塊,。利用先進的互聯(lián)技術(shù)進一步提升功率密度，甚至可以做到200攝氏度以上的工作溫度,，擴展碳化硅模塊的使用場景,。
碳化硅普及的障礙
那么有了這些優(yōu)勢，為什么如今汽車逆變器方案中為何沒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,。目前不少半導體公司的碳化硅產(chǎn)品,，仍是靠與這些供應(yīng)商的合約來供應(yīng)。隨著安森美于今年收購GTAT后,，安森美有了自己生產(chǎn)碳化硅襯底和外延的能力,，其晶圓廠也開始準備從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)投入和實際應(yīng)用來看,，無論是碳化硅半導體廠商還是汽車廠商，都認為碳化硅技術(shù)已經(jīng)可以用于汽車牽引系統(tǒng),。
還有就是實現(xiàn)難度,，因為這是一個快速開關(guān)裝置，所以必須對原先的設(shè)計做出一些挑戰(zhàn),。最后是封裝問題,，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,，也會慢慢轉(zhuǎn)向更加先進的封裝方案,，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),，但從半導體巨頭堅定投入的決心來看，這一寬禁帶半導體很快就會迎來在汽車市場的普及,。ST,、Wolfspeed、英飛凌,、羅姆和安森美等國外廠商的激烈競爭下,，國內(nèi)的碳化硅企業(yè)要想冒頭也并非一件易事。