讓碳化硅上車 寬禁帶半導體成電驅動發展突破點

上海電驅動股份有限公司作為國內首家搭載超100萬輛純電動汽車的電驅動企業，從2008年就開始涉足這一領域。從分體式電驅動產品和三合一技術突破，到寬帶隙半導體的應用實踐，上海電驅動始終走在技術前沿，并聯電驅動產業發展趨勢一直是一路向前。

上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷表示，目前電驅動系統已經發展到相對成熟的階段，但在新能源汽車發展的大形勢下，新的需求也在為電驅動系統指明新的發展方向。

圖片來源:上海電驅陳雷

需求導向的新材料成為電驅動系統發展的突破點

具體來說，對駕駛體驗的追求導致對高扭矩/高加速性能的需求，這就要求電驅動系統增加電流密度，提高動態響應性能；對續航和快充的追求，導致電動車行業高壓話題不斷。與硅基IGBT相比，碳化硅等寬帶隙半導體更有可能突破。

駕駛和充電安全的需求導致對電池壽命和功能穩定性的控制；低噪聲環境的要求導致了NVH的提高...從微觀用戶體驗可以發現，目前IGBT市場已經成熟，電驅動系統仍有很大的發展空間。

如何滿足這些需求，如何在這些領域實現技術突破，創造新的經濟增長點？這是車企和供應商都在考慮的問題。

在陳雷看來，把整個電力驅動系統拆開來看，半導體是最先進的單個元件，它的作用非常關鍵。半導體的選擇很可能會影響這些需求的實現。

目前市場上的半導體材料有三代，分別是以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代(元素)半導體，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代(二元/三元化合物)半導體。和陳雷推出的第三代半導體。

第三代半導體又稱寬帶隙半導體，以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)為代表。具有高頻、大功率、高抗輻射、光電性能優異等特點，適合制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，符合以新能源汽車為代表的電動化、智能化趨勢。

值得注意的是，“十四五”國家重點R&D計劃于2021年開始實施“新型顯示與戰略電子材料”重點項目，第三代半導體位列其中。

電力半導體，專門處理電力驅動中的大功率電壓和電流，從損耗、封裝、可靠性三個方面影響整車的續航能力、電機的輕量化和電機的壽命。

圖片來源:上海電驅陳雷

陳雷以碳化硅為例，從三個方面闡述了寬帶隙半導體應用帶來的變化。

上車和上Si IGBT碳化硅有什么區別？

從損耗的角度來看，功率半導體的損耗直接決定了電機控制器的效率，從而影響電池容量進而決定電池壽命。

電力設備運行中有兩種損耗。一個是通態損耗。當功率器件正向導通時，通過功率器件的正向壓降和正向電流的乘積稱為通態損耗。

另一種叫做開關損耗。不考慮頻率和速度，電流和電壓的變化總會在開關過程中產生損耗，這種損耗也可以分為導通損耗和關斷損耗。

圖片來源:上海電驅陳雷

在通態損耗方面，與Si IGBT相比，碳化硅在相同封裝下會有一定的優勢。主要原因在于碳化硅器件的電阻特性，而IGBT是雙極型器件。雙極器件的電壓為VCE0，但電阻特性沒有這樣的壓降。

由于VCE0電壓的存在，在小電流的情況下，IGBT器件的壓降更大，碳化硅更小，損耗相對更低。碳化硅和類似規格的硅IGBT相比，大電流時通態壓降相差20%-30%，小電流時對應的損耗會相差數倍。

就開關損耗而言，碳化硅的優勢在于開關速度更快，也就意味著開關損耗相應降低。

一般來說，對于1200V的碳化硅，開關時電壓和電流變化的時間在100-200nm之間，而對于1200V的硅，時間在300-400nm之間。

就封裝而言，半導體的大小和散熱冷卻的形式會直接影響電機控制器的功率密度，進而影響整車的輕量化和架構。

目前市面上有各種封裝:從全合一全橋形式到半橋形式；果凍膠帶到塑料包裝；也有單面或雙面散熱封裝。

根據功率器件的特性進行封裝，目前市場上仍然流行基于400V的低功耗封裝模式。但從未來高壓的趨勢來看，未來封裝的散熱、電感、批量應用、兼容性都會有很大的提升。

和可靠性。芯片本身和封裝的可靠性非常重要。傳統的硅IGBT使用鋁線可以滿足功率循環的要求，但為了增強電流密度，過流能力更強、發熱量更小的銅可以降低溫度，從而增加功率循環次數。

最后，碳化硅焊接層的應用。與硅相比，碳化硅的熱膨脹系數更大，導致器件邊緣的熱應力更大。隨著使用時間的延長，在通電循環的過程中會出現分層，甚至在焊料上出現空洞。這些空洞的直接結果是熱阻增加，導熱系數降低，散熱惡化。

這個問題在現在的技術進步中已經解決了。目前使用的銀漿燒結工藝與傳統焊料焊接相比，具有數倍的功率循環壽命，能承受更高的工作溫度。

幫助碳化硅上車。上海電驅布局六年

2016年，上海電驅開始基于商用車做碳化硅控制器樣品。兩年后，研發步入基于雙面散熱的碳化硅控制器開發，并在乘用車和商用車上得到驗證。陳雷表示，雖然這一時期的發展速度很快，但整體效率提升并不明顯。

2020年開始，基于量產的碳化硅控制器研發將于2023年在SOP中進行。同時，陳雷表示，800V平臺上功率更高的S基碳化硅控制器也適用于里程更高的商用車，有助于節約用電，提高經濟效益。

碳化硅器件將首先應用于相對高端的車輛，尤其是800V平臺的車輛，這幾乎是業界共識。

一方面，基于充電更快的考慮，使用碳化硅器件后開關損耗和導通損耗會降低。在相同的開發效率下，應用于800V系統時，功率器件的開關損耗會降低更多，有助于提高系統效率。

另一方面，碳化硅沒有達到規模化產能，這也是其沒有在市場上得到廣泛應用的主要原因。原料達到規模化產能后，產量增加，產品單價降低，從而獲得市場優勢。據陳雷介紹，量化產量和用途后，碳化硅可能會獲得一定的成本優勢。也許可以用在a級或者更小的車上。

考慮到上海電驅對碳化硅的具體研發，這類材料的實際應用還存在一定的技術挑戰。

圖片來源:上海電驅陳雷

碳化硅上車有多難？技術問題仍有待解決。

首先是EMC(電磁兼容性)性能。在高開關速度下，dv/dt和di/dt較高，容易產生電磁干擾。經過多年的技術發展，電磁兼容對硅IGBT來說已經不再困難，但是必須重新考慮多級濾波器的設計，以開發新的碳化硅材料。

可靠性的問題不容忽視。陳雷說，使用碳化硅器件的數量和實際使用碳化硅器件的時間都不夠長，所以要格外注意碳化硅器件的可靠性。

目前硅基IGBT的發展已經比較成熟，一般耐壓可以達到正負20 V的水平，但是碳化硅在耐壓部分會遇到挑戰，尤其是負壓部分，可能只能承受負6V-負10V的電壓。

此外，與硅材料不同，碳化硅器件的應用還會帶來功率循環和溫度循環的挑戰……想要創新，必然會遇到門檻。一般來說，寬帶隙半導體是需求導向、技術先行的典型。在新能源和智能化的發展趨勢下，像上電驅動這樣的企業有必要在相對成熟的硅IGBT產業中，勇于嘗試，積極進取，尋找新的技術突破口，創造經濟增長點。

但不容忽視的是，幫助碳化硅上車，最大限度發揮新材料的性能，需要系統的、長期的努力。只有上下游并行發展，新材料才能進入市場，進而推動行業創新。

(以上內容來自上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷在2022年6月24日由蓋世汽車主辦的2022中國汽車電驅動及關鍵技術云論壇上發表的《寬帶隙半導體在電機控制器中的應用》主題演講。)作為國內第一家搭載超100萬輛純電動汽車的電驅動企業，上海電驅動股份有限公司從2008年就開始涉足這一領域。從分體式電驅動產品和三合一技術突破，到寬帶隙半導體的應用實踐，上海電驅動始終走在技術前沿，并聯電驅動產業發展趨勢一直是一路向前。

上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷表示，目前電驅動系統已經發展到相對成熟的階段，但在新能源汽車發展的大形勢下，新的需求也在為電驅動系統指明新的發展方向。

圖片來源:上海電驅陳雷

需求導向的新材料成為電驅動系統發展的突破點

具體來說，對駕駛體驗的追求導致對高扭矩/高加速性能的需求，這就要求電驅動系統增加電流密度，提高動態響應性能；對續航和快充的追求，導致電動車行業高壓話題不斷。與硅基IGBT相比，碳化硅等寬帶隙半導體更有可能突破。

駕駛和充電安全的需求導致對電池壽命和功能穩定性的控制；低噪聲環境的要求導致了NVH的提高...從微觀用戶體驗可以發現，目前IGBT市場已經成熟，電驅動系統仍有很大的發展空間。

如何滿足這些需求，如何在這些領域實現技術突破，創造新的經濟增長點？這是車企和供應商都在考慮的問題。

在陳雷看來，把整個電力驅動系統拆開來看，半導體是最先進的單個元件，它的作用非常關鍵。半導體的選擇很可能會影響這些需求的實現。

目前市場上的半導體材料有三代，分別是以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代(元素)半導體，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代(二元/三元化合物)半導體。和陳雷推出的第三代半導體。

第三代半導體又稱寬帶隙半導體，以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)為代表。具有高頻、大功率、高抗輻射、光電性能優異等特點，適合制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，符合以新能源汽車為代表的電動化、智能化趨勢。

值得注意的是，“十四五”國家重點R&D計劃于2021年開始實施“新型顯示與戰略電子材料”重點項目，第三代半導體位列其中。

電力半導體，專門處理電力驅動中的大功率電壓和電流，從損耗、封裝、可靠性三個方面影響整車的續航能力、電機的輕量化和電機的壽命。

圖片來源:上海電驅陳雷

陳雷以碳化硅為例，從三個方面闡述了寬帶隙半導體應用帶來的變化。

上車和上Si IGBT碳化硅有什么區別？

從損耗的角度來看，功率半導體的損耗直接決定了電機控制器的效率，從而影響電池容量進而決定電池壽命。

電力設備運行中有兩種損耗。一個是通態損耗。當功率器件正向導通時，通過功率器件的正向壓降和正向電流的乘積稱為通態損耗。

另一種叫做開關損耗。不考慮頻率和速度，電流和電壓的變化總會在開關過程中產生損耗，這種損耗也可以分為導通損耗和關斷損耗。

圖片來源:上海電驅陳雷

在通態損耗方面，與Si IGBT相比，碳化硅在相同封裝下會有一定的優勢。主要原因在于碳化硅器件的電阻特性，而IGBT是雙極型器件。雙極器件的電壓為VCE0，但電阻特性沒有這樣的壓降。

由于VCE0電壓的存在，在小電流的情況下，IGBT器件的壓降更大，碳化硅更小，損耗相對更低。碳化硅和類似規格的硅IGBT相比，大電流時通態壓降相差20%-30%，小電流時對應的損耗會相差數倍。

就開關損耗而言，碳化硅的優勢在于開關速度更快，也就意味著開關損耗相應降低。

一般來說，對于1200V的碳化硅，開關時電壓和電流變化的時間在100-200nm之間，而對于1200V的硅，時間在300-400nm之間。

就封裝而言，半導體的大小和散熱冷卻的形式會直接影響電機控制器的功率密度，進而影響整車的輕量化和架構。

目前市面上有各種封裝:從全合一全橋形式到半橋形式；果凍膠帶到塑料包裝；也有單面或雙面散熱封裝。

根據功率器件的特性進行封裝，目前市場上仍然流行基于400V的低功耗封裝模式。但從未來高壓的趨勢來看，未來封裝的散熱、電感、批量應用、兼容性都會有很大的提升。

和可靠性。芯片本身和封裝的可靠性非常重要。傳統的硅IGBT使用鋁線可以滿足功率循環的要求，但為了增強電流密度，過流能力更強、發熱量更小的銅可以降低溫度，從而增加功率循環次數。

最后，碳化硅焊接層的應用。與硅相比，碳化硅的熱膨脹系數更大，導致器件邊緣的熱應力更大。隨著使用時間的延長，在通電循環的過程中會出現分層，甚至在焊料上出現空洞。這些空洞的直接結果是熱阻增加，導熱系數降低，散熱惡化。

這個問題在現在的技術進步中已經解決了。目前使用的銀漿燒結工藝與傳統焊料焊接相比，具有數倍的功率循環壽命，能承受更高的工作溫度。

幫助碳化硅上車。上海電驅布局六年

2016年，上海電驅開始基于商用車做碳化硅控制器樣品。兩年后，研發步入基于雙面散熱的碳化硅控制器開發，并在乘用車和商用車上得到驗證。陳雷表示，雖然這一時期的發展速度很快，但整體效率提升并不明顯。

2020年開始，基于量產的碳化硅控制器研發將于2023年在SOP中進行。同時，陳雷表示，800V平臺上功率更高的S基碳化硅控制器也適用于里程更高的商用車，有助于節約用電，提高經濟效益。

碳化硅器件將首先應用于相對高端的車輛，尤其是800V平臺的車輛，這幾乎是業界共識。

一方面，基于充電更快的考慮，使用碳化硅器件后開關損耗和導通損耗會降低。在相同的開發效率下，應用于800V系統時，功率器件的開關損耗會降低更多，有助于提高系統效率。

另一方面，碳化硅沒有達到規模化產能，這也是其沒有在市場上得到廣泛應用的主要原因。原料達到規模化產能后，產量增加，產品單價降低，從而獲得市場優勢。據陳雷介紹，量化產量和用途后，碳化硅可能會獲得一定的成本優勢。也許可以用在a級或者更小的車上。

考慮到上海電驅對碳化硅的具體研發，這類材料的實際應用還存在一定的技術挑戰。

圖片來源:上海電驅陳雷

碳化硅上車有多難？技術問題仍有待解決。

首先是EMC(電磁兼容性)性能。在高開關速度下，dv/dt和di/dt較高，容易產生電磁干擾。經過多年的技術發展，電磁兼容對硅IGBT來說已經不再困難，但是必須重新考慮多級濾波器的設計，以開發新的碳化硅材料。

可靠性的問題不容忽視。陳雷說，使用碳化硅器件的數量和實際使用碳化硅器件的時間都不夠長，所以要格外注意碳化硅器件的可靠性。

目前硅基IGBT的發展已經比較成熟，一般耐壓可以達到正負20 V的水平，但是碳化硅在耐壓部分會遇到挑戰，尤其是負壓部分，可能只能承受負6V-負10V的電壓。

此外，與硅材料不同，碳化硅器件的應用還會帶來功率循環和溫度循環的挑戰……想要創新，必然會遇到門檻。一般來說，寬帶隙半導體是需求導向、技術先行的典型。在新能源和智能化的發展趨勢下，像上電驅動這樣的企業有必要在相對成熟的硅IGBT產業中，勇于嘗試，積極進取，尋找新的技術突破口，創造經濟增長點。

但不容忽視的是，幫助碳化硅上車，最大限度發揮新材料的性能，需要系統的、長期的努力。只有上下游并行發展，新材料才能進入市場，進而推動行業創新。

(以上內容來自上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷在2022年6月24日由蓋世汽車主辦的2022中國汽車電驅動及關鍵技術云論壇上發表的《寬帶隙半導體在電機控制器中的應用》主題演講。)

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