解决里程焦虑？主驱、OBC需求差异？失效风险？碳化硅上车背后的那些事

电子发烧友网 2022-10-24 1208

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电子发烧友网报道（文/梁浩斌）今年以来，碳化硅（SiC）上车的节奏明显加快了，搭载SiC电机驱动模块，或是SiC OBC的新车型陆续上市，比如蔚来ET5/7、SMART精灵、小鹏G9、比亚迪海豹等车型在电机驱动部分采用了SiC器件，而搭载SiC OBC的车型就更多了。事实上，SiC这种材料在汽车领域开始大规模应用至今，仅仅是5年不到的时间。过去几年时间里，SiC器件市场发展迅速，在材料带来的耐高温、耐高压、高频等优越性能下，SiC的身影越来越多地出现在电动汽车上。

碳化硅如何提升电动汽车续航里程？

OBC

图源：蔚来汽车而在车企的宣传中，我们能听到最多的是，采用SiC后汽车的电耗表现、续航里程、性能等指标都会有大幅提升。目前来看，在电动汽车中用得最多的依然是硅基IGBT，那么相比硅基IGBT，SiC器件是通过哪些途径去提升电动汽车的续航里程？派恩杰半导体营销事业部销售总监马海川向电子发烧友网表示，SiC MOSFET器件与其相同额定参数的IGBT相比，总损耗可减少38%-60%。“尤其是SiC MOSFET在轻载时的损耗远远小于IGBT。由于电动汽车在城市中行驶时，绝大多数时间工作在轻载工况，SiC MOSFET所减少的损耗可以折算为5%-10%的电池续航里程”。具体到SiC器件特性而言，安森美中国区汽车现场应用工程师夏超补充到，相比于硅基IGBT，SiC MOSFET在器件关断时无明显的拖尾电流，进而可以降低器件的开关损耗；同时电动汽车在匀速行驶状态下，电控所需输出的电流大小远低于额定电流值，而SiC MOSFET在中低电流下的导通损耗显著低于IGBT。不过，这只是SiC MOSFET器件对电动汽车续航里程的直接影响。另一方面，由于SiC MOSFET可工作于更高的开关频率下减少了损耗，对散热要求较低，可有效减小驱动部件及水冷部件的重量及体积。同时，800V及以上的高压平台，也开始在一些中高端车型上被应用。在高压平台上，若采用800V直流母线，传输相同功率所需的导线截面积也可以缩小，使得整车铜导线重量显著减少。因此，在采用SiC MOSFET后，综合驱动部件、散热部件以及线束的重量减轻，整车重量降低，也能够间接帮助提升续航里程。续航里程和补能速度，是目前电动汽车的两大痛点之一，而SiC的加入，显然能够一定程度上缓解电动汽车的续航焦虑。因此，不仅是在800V平台上SiC已经成为必选器件类型，在400V的主流平台上对SiC的需求也在不断增长。

单车SiC MOSFET需求分析；400V和800V平台差异？

据夏超介绍，目前对于SiC MOSFET功率器件而言，电动汽车对其的需求主要是体现在主驱上，后续也将在大功率车载充电器等部分有所体现。SiC SBD则更多地出现在Si IGBT/SiC SBD的混合模块当中，其对电驱部分效率的提升相比于SiC MOSFET而言很难凸显，因此安森美当前在电动汽车主驱上更为建议使用SiC MOSFET器件来提升车辆的性能。当然，在主驱以及OBC上应用到的SiC MOSFET数量和规格也并不相通。具体而言，马海川表示，目前主驱逆变器对SiC MOSFET的需求是48颗-60颗大电流芯片，通常需要导通电阻为25mΩ以下的单颗SiC MOSFET芯片，另外，OBC与DC/DC根据设计的不同，需求4-20片导通电阻为60mΩ到80mΩ的单颗SiC MOSFET芯片。从导通电阻的规格上来看，主驱逆变器上使用的SiC MOSFET要求会更高。那么800V平台上与400V平台所用到的SiC器件会有哪些差别？实际上，电压平台的提高，主要对SiC器件的耐压值提出了更高的要求。目前400V平台一般采用耐压值为650V的SiC器件，而800V平台上只需将650V的SiC器件切换到1200V即可。尽管硅基IGBT同样有耐高压的产品可以被应用于电动汽车的800V平台上，比如保时捷在2018年推出的电动跑车Taycan，就在800V平台上选择了硅基IGBT作为主驱逆变器的核心。但在800 V高压平台上，SiC将能够更为充分地发挥其自身作为宽禁带半导体的特点，可有效降低器件的开关及导通损耗。并且在同等功率等级下，由于电压的提升，对于输出电流的需求会有明显的降低，可使用更少的同规格SiC功率器件来实现。所以，目前市面上其他已经量产的800V平台车型，几乎都使用SiC器件。

SiC大规模上车之路，如何避免器件失效风险

随着需求增长以及应用的深入，作为大规模上车不过5年时间的新材料新器件，在SiC应用的过程中也并不总是一帆风顺。今年4月，国家市场监督管理总局公开了特斯拉提交备案的召回计划，自2022年4月7日起，召回生产日期在2019年1月11日至2022年1月25日期间的部分进口及国产Model 3电动汽车，共计127785辆。对于这次召回的原因，文件中显示，本次召回范围内车辆的后电机逆变器功率半导体元件可能存在微小的制造差异，其中部分车辆使用一段时间后元件制造差异可能会导致后逆变器发生故障，造成逆变器不能正常控制电流。此故障发生在车辆处于停车状态时，会导致车辆无法启动；此故障发生在车辆行驶状态时，会导致车辆失去行驶动力，极端情况下可能增加车辆发生碰撞的风险，存在安全隐患。而据了解，Model 3系列车型中前电机逆变器采用的是硅基IGBT，后电机均采用SiC MOSFET。因此按照“车辆的后电机逆变器功率半导体元件”的描述，很可能是指SiC MOSFET。对于SiC器件在电动汽车中出现失效的情况，夏超认为主要有两种情况：一是上述公告中提到的制造差异，SiC MOSFET器件在生产制造过程中由于一致性差异所导致的问题；二是在客户实际的使用过程中，可能会出现多种实验室未能测试的盲区，进而导致器件出现失效等意外情况。从芯片厂商的角度，要避免SiC器件失效的情况发生，则可以从两个方面来采取相应措施：首先是要加严生产制造过程中的测试标准，实现全产业链的动态可溯源，将故障风险阻隔在出厂前；其次与整车及动力整合厂商深入合作，搜集尽可能多的恶劣工况，在实验室加以模拟仿真后，更需要在实际的运行场景下进行多维度的暴力测试，以保证消费者在驾乘时的绝对安全。

解决产能、供应问题，助力碳化硅加速渗透

显然，随着电动汽车市场的爆发式增长，对于SiC的需求也在不断提高。以在旗下车型大规模采用SiC器件的特斯拉为例，目前特斯拉Model3中只在后电机逆变器模块上用上SiC MOSFET，但据测算，如果车用功率器件全采用SiC，单车用量将达到0.5片6寸SiC晶圆。那么如特斯拉旗下车型的车用功率器件全部采用SiC，以其去年93万台销量的需求计算，一年的6寸SiC晶圆需求就高达46.5万片，以如今全球SiC衬底产能来看甚至无法满足一家车企的需求。因此产能和供应，是限制SiC上车的其中一个重要原因。在产能以及供应方面，派恩杰与国际顶尖车规级SiC晶圆代工厂有深厚的合作关系，也是其亚洲最大的客户，产能供应具有明显优势。在全球芯片短缺的背景下，派恩杰的供货周期明显短于同行业的友商，且产品目录齐全，能够保证各大主流应用的持续供应。据了解，目前派恩杰的SiC MOSFET已经在多家汽车龙头企业及tier 1稳定交付，包括OBC与DC-DC等应用。其中在一些行业头部客户，派恩杰已经成为主要供应商，并且公司SiC产品已经广泛运用于汽车OBC。而对于一些汽车主驱方案，派恩杰也在与客户验证并已初步取得进展，同时也在进行全桥、半桥、单管并联方案的研究。此外，派恩杰还将积极布局功率半导体模块的开发，配合车厂研制性能优良的主驱逆变器用的SiC功率模块。针对SiC产能的紧缺，派恩杰半导体也在积极调研国内的SiC产业链，为进一步扩大产能做布局，以满足未来海量的SiC功率器件的市场需求。而作为SiC器件领域的国际大厂，安森美近期在多地实现了对SiC功率器件产能的提升目标。今年8月，安森美在美国新罕布什尔州哈德逊市的SiC工厂顺利剪彩落成，在该基地将会帮助安森美的SiC晶圆产能同比提升5倍；近期，安森美持续将捷克境内的工厂进行投资扩建，这一举措在未来两年内将会使得该基地的SiC产能提高16倍；与此同时，安森美还在罗马尼亚成立新研发中心。据了解，安森美SiC功率器件包括SiC MOSFETs、SiC二极管、以及混合SiC模块三类，并可选配性能更佳的压铸模封装。目前安森美的车规级产品在国内的各大电驱大厂及新势力均有合作，不仅是应用于电动汽车的主驱，未来还将在OBC等领域进行更为深度的合作。在主驱功率封装技术方面，按照规划，安森美将在2023年中期从双面间接水冷过渡到直接水冷模式，预计到2023年底会实现双面直接水冷，2024年中期进一步优化为双面直接水冷+方案，核心目的是为了不断提升模块的功率密度。可以看到，无论是国内还是国外，在市场需求推动下，SiC衬底、器件的扩产规模以及速度都相当迅速。产能的增加将会推动SiC器件价格进一步下降，同时SiC器件在电动汽车中的渗透率增长也将迎来新一轮加速。

OBC

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