前段時間去了一趟青島參加TMC的車規級SiC功率模塊的論壇。如之前所述，在這個領域，隨著400V往800V總線轉換，SiC產業已經成為十分朝陽行業，在中國也占據了一個非常重要的位置。

如何從車企和SiC企業之間建立這個溝通渠道，本次TMC論壇做了一次非常好的嘗試，我這里做一些梳理和記錄。

Part 1

1.

目前碳化硅的價格是IGBT的大概三到五倍，甚至最近碳化硅的供應商們把價格進一步提高了（由于缺芯）。明年，將有70%以上的汽車企業至少有一款碳化硅會試運行或者測試，預計到2027-2030年碳化硅將成為主流。

目前為止大量的封裝材料依賴進口（尤其是耐高溫的材料），包括絕緣的封裝材料等，目標是到2025年，自主碳化硅芯片加上自主的封裝能夠上車。

2.

碳化硅的市場需求（市值而不是數量）未來幾年會有一個非常快速的增長，碳化硅貴很多，硅基器件不會那么快退出市場。碳化硅和800V是比較好的組合，但并不是一對一的關系，早期800V的系統碳化硅的器件并沒有那么成熟，用的還是硅基IGBT。目前碳化硅大部分還是采用了現有硅基的技術，實際上都是用現有的封裝技術，這一方面可以規避SiC市場的不確定性，并且保證技術成熟度，努力讓碳化硅模塊先跑起來，再進行優化。

真正想發揮碳化硅的優勢，可以做下面的工作：

●冷卻：目前主流的是單面的直接水冷技術，但碳化硅更適合雙面的水冷技術，碳化硅目前大部分還是平臺性器件，發熱的范圍很窄，產生的熱量其實很高，這樣對冷卻提出了更高的要求。

●銀燒結技術封裝的溫度比較高，可以克服封裝可靠性的問題，底端的連接和不同位置都可以采用銀燒結技術。銅燒結可能實現一個全銅的模塊。

●鍵合技術：碳化硅在比較高頻的情況下運行，需要一個非常低的低電感技術。可以采用柔性（像電路板的鍵合方式），像雙面的鍵合把整個包覆的板作為像引線一樣，直接焊接到這個表面，這都是比較新穎的鍵合技術。

●高溫的塑封材料：運行溫度可能會比較高，需要一些新的材料去適應它的體系。

●基板：從CTE的熱膨脹技術差異上來看，氮化鋁和氮化硅都是一個比較好的材料，相對來說跟碳化硅的熱膨脹技術都是比較接近。但是氮化鋁的韌性不足很容易就碎掉，比較希望采用富銅的氮化鋁材料。

碳化硅很特殊的地方在于材料多，很多都是創新公司在做，傳統功率半導體企業通過收購的方式去做垂直的整合在未來也是非常重要的趨勢。因為材料特殊性， IDM是比較有優勢的，使用的碳化硅和硅整個成本的比例是為2.5：1左右，未來幾年它可能逐漸降低到2左右。

3.

上汽全系800V，包括一個800V的快充電池，前驅是一個A軸，后驅是一個C軸，包括高壓的PDC。電驅動系統的重量增加了4%，重量功率密度可以提升60%。碳化硅器件成本很貴導致電驅的成本上升大概30%左右。400V的C軸和800V的C軸效率對比，高效區明顯變大了，90%的效率擴大6.6%，95%的效率區間擴大7%。碳化硅更適合CLTC的工況，平均效率提高了3%-5%。

電驅控制集成了MCU+VCU+BMS部分功能，采用Aurix TC389主控芯片，配備SBC3584實現功能安全，部分車端BMS的功能加進去了。

中速、低速、高速不同的工況情況下，碳化硅系統的應用中會有一個比較優的最佳效率點。在10K頻率下也可以控制在2.1萬轉的高速情況，從10K提到12K的時候，這個波動明顯降低了很多。碳化硅應用之后電機控制可以達到2.5萬轉這樣一個情況，碳化硅的開關頻率提升20%、30%，轉速也可以進一步地再提升。基于碳化硅功率器件把頻率做高，13K以下測到的噪音，15K、16K、17K，可以看到很明顯的優化。碳化硅高速開關特性對驅動芯片的要求比較高，需要精益性的設計，更高開關造成的EMI方面的影響也很大。軸電壓的根源是PWM開關導致的電容感應電壓，通過源頭、路徑包括軸承本身的一些綜合優化。

4.

碳化硅器件要：

●突破高溫限制，達到200度穩定運行

●解決高速開關易受干擾，實現高速門級驅動

●散熱過于集中，需要采用高效散熱方法

Part 2

5.

碳化硅功率第一代接近批產的是邊框+灌膠型的碳化硅功率模塊。同時已經著手嵌入PCB管的碳化硅模塊，直接將碳化硅器件嵌入到電路板還是可行的，在五六年之后能實現投產的一代產品。

WLTP工況下的開關頻率，找電機損耗最低值，不同的轉速和不同的扭矩情況下找出來最優化的開關頻率，單純使用碳化硅逆變器能夠降低4.5瓦時/公里的功率消耗。如果我們用優化過后的開關頻率，從逆變器端功率損耗升高，但從電機的角度是進一步降低了0.55瓦時/公里，電機和逆變器綜合起來優化0.4瓦時/公里的功率損耗降低，加上碳化硅逆變器的開關損耗和導通損耗的降低，共有4.9瓦時的損耗降低。

6.

Viper設計初衷是避免鍵合線的失效點，提高導熱系數，封裝層面也考慮到整個封裝的簡化，縮減整個設計制造成本，從而提高可行性。

Viper的主要應用場景主要是通過對于電流密度以及結溫進行改善，雙面水冷的封裝設計是為了優化散熱設計，同時減少對于所謂成本較高的晶圓的應用，從而最終優化整個系統的成本。

雙面水冷，熱導系數偏低，結溫也會控制得比較低。

尺寸和用量來說，用到的晶圓會更少一些，這樣的話整個成本會更低。

基于可靠性考慮，設計中取消了鍵合線的設計，通過焊接或者灌封等方式，最終模塊能量密度會更高一些。

7.

講充電機，我就不在這里摘錄了。

8.

傳統平面型的是第一代，也是目前正在使用的碳化硅結構（比較主流的）。博世雙溝槽型的碳化硅是縱向的延伸，可以有效地縮小尺寸間距。雙溝槽的技術也有利于電流密度的提升，尺寸間隙的減小。在相對同樣的室溫下，溝槽型的碳化硅產品在同樣的面積下比傳統平面型的碳化硅要小很多。針對于可靠性的優化也有利保證了碳化硅產品更高的性能。

博世第一代的碳化硅產品1200V、750V已經量產了。第二代產品的開發已經在進行中，第二代750V已經有試樣，到2023年計劃量產。第二代碳化硅產品改良：

●溫度系數可以減少10%。

●集成二極管，整個碳化硅開關控制過程中它會產生比較高的壓降，二極管的壓降只有第一代的一半，能夠減少50%，可以支持更快的開關速度。

審核編輯：劉清