解決里程焦慮？主驅、OBC需求差異？失效風險？碳化硅上車背后的那些事
電子發燒友網報道（文/梁浩斌）今年以來，碳化硅（SiC）上車的節奏明顯加快了，搭載SiC電機驅動模塊，或是SiC OBC的新車型陸續上市，比如蔚來ET5/7、SMART精靈、小鵬G9、比亞迪海豹等車型在電機驅動部分采用了SiC器件，而搭載SiC OBC的車型就更多了。
事實上，SiC這種材料在汽車領域開始大規模應用至今，僅僅是5年不到的時間。過去幾年時間里，SiC器件市場發展迅速，在材料帶來的耐高溫、耐高壓、高頻等優越性能下，SiC的身影越來越多地出現在電動汽車上。
碳化硅如何提升電動汽車續航里程？
圖源：蔚來汽車
而在車企的宣傳中，我們能聽到最多的是，采用SiC后汽車的電耗表現、續航里程、性能等指標都會有大幅提升。目前來看，在電動汽車中用得最多的依然是硅基IGBT，那么相比硅基IGBT，SiC器件是通過哪些途徑去提升電動汽車的續航里程？
派恩杰半導體營銷事業部銷售總監馬海川向電子發燒友網表示，SiC MOSFET器件與其相同額定參數的IGBT相比，總損耗可減少38%-60%。“尤其是SiC MOSFET在輕載時的損耗遠遠小于IGBT。由于電動汽車在城市中行駛時，絕大多數時間工作在輕載工況，SiC MOSFET所減少的損耗可以折算為5%-10%的電池續航里程”。
具體到SiC器件特性而言，安森美中國區汽車現場應用工程師夏超補充到，相比于硅基IGBT，SiC MOSFET在器件關斷時無明顯的拖尾電流，進而可以降低器件的開關損耗；同時電動汽車在勻速行駛狀態下，電控所需輸出的電流大小遠低于額定電流值，而SiC MOSFET在中低電流下的導通損耗顯著低于IGBT。
不過，這只是SiC MOSFET器件對電動汽車續航里程的直接影響。另一方面，由于SiC MOSFET可工作于更高的開關頻率下減少了損耗，對散熱要求較低，可有效減小驅動部件及水冷部件的重量及體積。
同時，800V及以上的高壓平臺，也開始在一些中高端車型上被應用。在高壓平臺上，若采用800V直流母線，傳輸相同功率所需的導線截面積也可以縮小，使得整車銅導線重量顯著減少。因此，在采用SiC MOSFET后，綜合驅動部件、散熱部件以及線束的重量減輕，整車重量降低，也能夠間接幫助提升續航里程。
續航里程和補能速度，是目前電動汽車的兩大痛點之一，而SiC的加入，顯然能夠一定程度上緩解電動汽車的續航焦慮。因此，不僅是在800V平臺上SiC已經成為必選器件類型，在400V的主流平臺上對SiC的需求也在不斷增長。
單車SiC MOSFET需求分析；400V和800V平臺差異？
據夏超介紹，目前對于SiC MOSFET功率器件而言，電動汽車對其的需求主要是體現在主驅上，后續也將在大功率車載充電器等部分有所體現。SiC SBD則更多地出現在Si IGBT/SiC SBD的混合模塊當中，其對電驅部分效率的提升相比于SiC MOSFET而言很難凸顯，因此安森美當前在電動汽車主驅上更為建議使用SiC MOSFET器件來提升車輛的性能。
當然，在主驅以及OBC上應用到的SiC MOSFET數量和規格也并不相通。具體而言，馬海川表示，目前主驅逆變器對SiC MOSFET的需求是48顆-60顆大電流芯片，通常需要導通電阻為25mΩ以下的單顆SiC MOSFET芯片，另外，OBC與DC/DC根據設計的不同，需求4-20片導通電阻為60mΩ到80mΩ的單顆SiC MOSFET芯片。
從導通電阻的規格上來看，主驅逆變器上使用的SiC MOSFET要求會更高。那么800V平臺上與400V平臺所用到的SiC器件會有哪些差別？實際上，電壓平臺的提高，主要對SiC器件的耐壓值提出了更高的要求。目前400V平臺一般采用耐壓值為650V的SiC器件，而800V平臺上只需將650V的SiC器件切換到1200V即可。
但在800 V高壓平臺上，SiC將能夠更為充分地發揮其自身作為寬禁帶半導體的特點，可有效降低器件的開關及導通損耗。并且在同等功率等級下，由于電壓的提升，對于輸出電流的需求會有明顯的降低，可使用更少的同規格SiC功率器件來實現。所以，目前市面上其他已經量產的800V平臺車型，幾乎都使用SiC器件。
SiC大規模上車之路，如何避免器件失效風險
隨著需求增長以及應用的深入，作為大規模上車不過5年時間的新材料新器件，在SiC應用的過程中也并不總是一帆風順。
今年4月，國家市場監督管理總局公開了特斯拉提交備案的召回計劃，自2022年4月7日起，召回生產日期在2019年1月11日至2022年1月25日期間的部分進口及國產Model 3電動汽車，共計127785輛。
對于這次召回的原因，文件中顯示，本次召回范圍內車輛的后電機逆變器功率半導體元件可能存在微小的制造差異，其中部分車輛使用一段時間后元件制造差異可能會導致后逆變器發生故障，造成逆變器不能正常控制電流。此故障發生在車輛處于停車狀態時，會導致車輛無法啟動；此故障發生在車輛行駛狀態時，會導致車輛失去行駛動力，極端情況下可能增加車輛發生碰撞的風險，存在安全隱患。
而據了解，Model 3系列車型中前電機逆變器采用的是硅基IGBT，后電機均采用SiC MOSFET。因此按照“車輛的后電機逆變器功率半導體元件”的描述，很可能是指SiC MOSFET。
對于SiC器件在電動汽車中出現失效的情況，夏超認為主要有兩種情況：一是上述公告中提到的制造差異，SiC MOSFET器件在生產制造過程中由于一致性差異所導致的問題；二是在客戶實際的使用過程中，可能會出現多種實驗室未能測試的盲區，進而導致器件出現失效等意外情況。
從芯片廠商的角度，要避免SiC器件失效的情況發生，則可以從兩個方面來采取相應措施：首先是要加嚴生產制造過程中的測試標準，實現全產業鏈的動態可溯源，將故障風險阻隔在出廠前；其次與整車及動力整合廠商深入合作，搜集盡可能多的惡劣工況，在實驗室加以模擬仿真后，更需要在實際的運行場景下進行多維度的暴力測試，以保證消費者在駕乘時的絕對安全。
解決產能、供應問題，助力碳化硅加速滲透
顯然，隨著電動汽車市場的爆發式增長，對于SiC的需求也在不斷提高。以在旗下車型大規模采用SiC器件的特斯拉為例，目前特斯拉Model3中只在后電機逆變器模塊上用上SiC MOSFET，但據測算，如果車用功率器件全采用SiC，單車用量將達到0.5片6寸SiC晶圓。那么如特斯拉旗下車型的車用功率器件全部采用SiC，以其去年93萬臺銷量的需求計算，一年的6寸SiC晶圓需求就高達46.5萬片，以如今全球SiC襯底產能來看甚至無法滿足一家車企的需求。
因此產能和供應，是限制SiC上車的其中一個重要原因。在產能以及供應方面，派恩杰與國際頂尖車規級SiC晶圓代工廠有深厚的合作關系，也是其亞洲最大的客戶，產能供應具有明顯優勢。在全球芯片短缺的背景下，派恩杰的供貨周期明顯短于同行業的友商，且產品目錄齊全，能夠保證各大主流應用的持續供應。
據了解，目前派恩杰的SiC MOSFET已經在多家汽車龍頭企業及tier 1穩定交付，包括OBC與DC-DC等應用。其中在一些行業頭部客戶，派恩杰已經成為主要供應商，并且公司SiC產品已經廣泛運用于汽車OBC。而對于一些汽車主驅方案，派恩杰也在與客戶驗證并已初步取得進展，同時也在進行全橋、半橋、單管并聯方案的研究。
此外，派恩杰還將積極布局功率半導體模塊的開發，配合車廠研制性能優良的主驅逆變器用的SiC功率模塊。針對SiC產能的緊缺，派恩杰半導體也在積極調研國內的SiC產業鏈，為進一步擴大產能做布局，以滿足未來海量的SiC功率器件的市場需求。
而作為SiC器件領域的國際大廠，安森美近期在多地實現了對SiC功率器件產能的提升目標。今年8月，安森美在美國新罕布什爾州哈德遜市的SiC工廠順利剪彩落成，在該基地將會幫助安森美的SiC晶圓產能同比提升5倍；近期，安森美持續將捷克境內的工廠進行投資擴建，這一舉措在未來兩年內將會使得該基地的SiC產能提高16倍；與此同時，安森美還在羅馬尼亞成立新研發中心。
據了解，安森美SiC功率器件包括SiC MOSFETs、SiC二極管、以及混合SiC模塊三類，并可選配性能更佳的壓鑄模封裝。目前安森美的車規級產品在國內的各大電驅大廠及新勢力均有合作，不僅是應用于電動汽車的主驅，未來還將在OBC等領域進行更為深度的合作。
在主驅功率封裝技術方面，按照規劃，安森美將在2023年中期從雙面間接水冷過渡到直接水冷模式，預計到2023年底會實現雙面直接水冷，2024年中期進一步優化為雙面直接水冷+方案，核心目的是為了不斷提升模塊的功率密度。
可以看到，無論是國內還是國外，在市場需求推動下，SiC襯底、器件的擴產規模以及速度都相當迅速。產能的增加將會推動SiC器件價格進一步下降，同時SiC器件在電動汽車中的滲透率增長也將迎來新一輪加速。
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