让碳化硅上车 宽禁带半导体成电驱动发展突破点

作为国内第一家搭载纯电动汽车突破100万台的电驱动企业，上海电驱动股份有限公司从08年就进入该领域，从分体式电驱产品、三合一技术突破到步入宽禁带半导体的应用实践，上海电驱动始终紧追在技术前沿，顺电驱动行业发展趋势一路直行。

上海电驱动股份有限公司电控研究院院长陈雷表示，目前电驱动系统已经发展到了比较成熟的阶段，但在新能源汽车发展的大形势下，新的需求也在为电驱系统指明新的发展方向。 

图片来源：上海电驱动 陈雷

需求导向 新材料成电驱系统发展突破点

具体而言，对驾驶体验的追求引出了高扭矩/高加速性能的需要，这要求电驱系统增加电流密度、提高动态响应性能；对续航时长和快速充电的追求引出了高压化这一电动汽车行业恒久不变的话题，碳化硅这类宽禁带半导体相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

对行驶和充电安全的要求引出了对电池寿命、功能稳定性的把控；对低噪环境的要求引出了对NVH的提升……从微观的用户体验逆推产品发展趋势，会发现目前IGBT市场较为成熟的情况下，电驱动系统仍然有很大的发展空间。

如何满足这些需求，如何在这些领域实现技术突破，创造新的经济增长点？这是车企和供应商都在考虑的问题。

在陈雷看来，将整个电驱动系统拆开来看，半导体是最高级的单一零部件，作用非常关键，对半导体的选择很大可能会影响到对这些需求的实现。

目前市面上有三代半导体材料，分别是以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代（元素）半导体，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代（二元/三元化合物）半导体；以及陈雷作重点介绍的第三代半导体。

第三代半导体又叫做宽禁带半导体，其代表有碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO），拥有高频、高功率、抗高辐射、光电性能优异等特点，适合制造电力电子、微波射频、光电子等元器件，正契合新能源汽车所代表的电气化、智能化趋势。

值得注意的是，“十四五”国家重点研发计划启动实施2021年“新型显示与战略性电子材料”重点专项，第三代半导体正在其列。

在电驱动器中专门处理大功率电压和电流的功率半导体，分别从损耗、封装、可靠性三个方面影响整车续航、电机轻量化、电机寿命。

图片来源：上海电驱动 陈雷

以碳化硅为例，陈雷从三个方面说明了宽禁带半导体的应用会带来的变化。 

相较Si IGBT 碳化硅上车有何不同

从损耗看，功率半导体的损耗大小直接决定电机控制器的效率，从而影响电池容量，进而决定续航。

功率器件在运行中产生两种损耗，一种是通态损耗，在功率器件处于正向导通的情况下，通过功率器件的正向压降与正向电流的积，即称为通态耗损。

另一种叫做开关损耗，不论频率和速度，开关过程中，电流和电压变化总会产生损耗，也分为开通损耗和关断损耗。

图片来源：上海电驱动 陈雷

通态损耗中，相比Si IGBT，碳化硅在同样的封装下会具有一定的优势。主要原因在于碳化硅器件本身的电阻特性，而IGBT是双极性的器件，双极性的器件存在VCE0的电压，而电阻特性没有这种压降。

因为VCE0电压的存在，在小电流的情况里，IGBT的器件压降更大，碳化硅更小，产生损耗相对更低。将类似规格的碳化硅和Si IGBT对比，大电流的情况下导通压降相差20%-30%，小电流的情况下，相应的损耗会相差数倍。

就开关损耗而言，碳化硅的优势在于开关速度更快，这意味开关损耗相应程度的降低。

一般来说，对于1200V的碳化硅，开关时电压电流变化的时间在100-200nm之间，而1200V的硅，其时间则在在300-400nm之间。

就封装而言，半导体的大小、散热冷却的形式会直接影响到电机控制器的功率密度，进而影响到整车轻量化和构架。

目前市面上的封装多样：从多合一的全桥形式到半桥形式；果冻胶布到塑封；还有单面散热或者双面散热的封装。

封装是根据功率器件属性来进行的，市面上比较流行的还是400V为主的小功率型封装模式。但是从高压化的未来趋势来看，封装的散热性、电感、批量应用、兼容性在将来都会有大的提升。

还有可靠性。芯片本身和封装的可靠性都很关键。传统Si IGBT使用铝线就能够满足功率循环等要求，但为了增强电流密度，使用过电能力更强、发热更小的铜可以降低温度，进而提高功率循环的次数。

最后是碳化硅的焊接层应用。相较于硅，碳化硅的热膨胀系数更大，在器件的边缘导致的热应力更大，随着使用时间的加长，在功率循环过程中会产生分层，甚至在焊料上出现空洞，这些空洞带来的直接结果就是热阻升高，热传导能力下降，散热变差。

这一问题已经在目前的技术进步中得到了解决，相比于传统焊料焊接，目前使用的银浆烧结工艺拥有数倍以上的功率循环寿命，还可以承受更高的工作温度。

助力碳化硅上车 上海电驱动布局六年

2016年，上海电驱动开始做基于商用车的碳化硅控制器样件。两年之后，研发步入开发基于双面冷却的碳化硅控制器，并对其进行了乘用车和商用车的整车验证。陈雷表示，这段时间虽然开发速度快，但总体效率提升不明显。

2020年开始，研发基于量产的碳化硅控制器项目，将在2023年SOP。同时陈雷表示，S基于800V平台功率更大的碳化硅控制器，也适用于运行里程更高的商用车，可以使这类控制器有助于节省电量和提高经济效益。

碳化硅器件会首先应用在比较高端的车型，尤其是应用800V平台的车型上，这几乎算是一个行业共识。

一方面，基于更快速的充电考虑，使用碳化硅器件后，开关损耗和导通损耗都会降低，同样的开发效率下，应用于800V系统中，功率器件开关损耗降低的比例更大，这有助于提升系统效率。

另一方面，碳化硅尚未达到规模化产能，这也是其尚未大量应用于市场的主要原因。原料在达到规模化产能之后，良率提升，产品单价降低，从而获得市场优势。陈雷看来，在量化产出和使用后，碳化硅可能获得一定的成本优势。或许可以用于A级或更小的车上。

结合上海电驱动对于碳化硅的具体研发来看，这类材料的实际应用仍然存在部分技术挑战。

图片来源：上海电驱动 陈雷

碳化硅上车有多难？技术问题仍待解决

首先是EMC（电磁兼容性）性能的问题，在高的开关速度下，dv/dt及di/dt更高，容易产生电磁干扰，经过多年技术发展，EMC对于Si IGBT已不是难点，但要拓新碳化硅材料必须重提多级滤波器的设计。

可靠性的问题也不可忽视，陈雷表示，目前应用碳化硅器件的数量和实际使用碳化硅器件的时间都不够长，对碳化硅器件的可靠性要额外重视。

硅基IGBT目前发展比较成熟，一般耐压都能够达到正负20V的等级。然而，碳化硅在耐压部分会遇上挑战，特别是对负压部分，可能只能承受负6V-负10V的电压。

除此以外，与硅质材料不同，碳化硅材料器件的应用也会带来功率循环、温度循环方面的挑战。

要创新，必然遇到门槛。总的来说，宽禁带半导体是需求导向，技术先行的典例。在新能源、智能化的发展趋势下，在相对成熟的Si IGBT行业中寻找新的技术突破点，营造经济增长点，需要上海电驱动这样的企业勇敢尝试、积极进步。

但不可忽视的是，助力碳化硅上车，让新材料性能最大化，需要系统性和长期性的努力，只有上下游并行发展，才能推动新材料进市场，进而推动行业革新。

（以上内容来自上海电驱动股份有限公司电控研究院院长陈雷在2022年6月24日由盖世汽车主办的2022中国汽车电驱动与关键技术云论坛发表的《宽禁带半导体在电机控制器中的应用》主题演讲。）