解決里程焦慮？主驅(qū)、OBC需求差異？失效風(fēng)險？碳化硅上車背后的那些事
電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）今年以來，碳化硅（SiC）上車的節(jié)奏明顯加快了，搭載SiC電機驅(qū)動模塊，或是SiC OBC的新車型陸續(xù)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(qū)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(lǐng)域開始大規(guī)模應(yīng)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(fā)展迅速，在材料帶來的耐高溫、耐高壓、高頻等優(yōu)越性能下，SiC的身影越來越多地出現(xiàn)在電動汽車上。
碳化硅如何提升電動汽車?yán)m(xù)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(xiàn)、續(xù)航里程、性能等指標(biāo)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(xù)航里程？
派恩杰半導(dǎo)體營銷事業(yè)部銷售總監(jiān)馬海川向電子發(fā)燒友網(wǎng)表示，SiC MOSFET器件與其相同額定參數(shù)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(shù)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(xù)航里程”。
具體到SiC器件特性而言，安森美中國區(qū)汽車現(xiàn)場應(yīng)用工程師夏超補充到，相比于硅基IGBT，SiC MOSFET在器件關(guān)斷時無明顯的拖尾電流，進而可以降低器件的開關(guān)損耗；同時電動汽車在勻速行駛狀態(tài)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(dǎo)通損耗顯著低于IGBT。
不過，這只是SiC MOSFET器件對電動汽車?yán)m(xù)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(guān)頻率下減少了損耗，對散熱要求較低，可有效減小驅(qū)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(yīng)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(dǎo)線截面積也可以縮小，使得整車銅導(dǎo)線重量顯著減少。因此，在采用SiC MOSFET后，綜合驅(qū)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(xù)航里程。
續(xù)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(xù)航焦慮。因此，不僅是在800V平臺上SiC已經(jīng)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(jù)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(xiàn)在主驅(qū)上，后續(xù)也將在大功率車載充電器等部分有所體現(xiàn)。SiC SBD則更多地出現(xiàn)在Si IGBT/SiC SBD的混合模塊當(dāng)中，其對電驅(qū)部分效率的提升相比于SiC MOSFET而言很難凸顯，因此安森美當(dāng)前在電動汽車主驅(qū)上更為建議使用SiC MOSFET器件來提升車輛的性能。
當(dāng)然，在主驅(qū)以及OBC上應(yīng)用到的SiC MOSFET數(shù)量和規(guī)格也并不相通。具體而言，馬海川表示，目前主驅(qū)逆變器對SiC MOSFET的需求是48顆-60顆大電流芯片，通常需要導(dǎo)通電阻為25mΩ以下的單顆SiC MOSFET芯片，另外，OBC與DC/DC根據(jù)設(shè)計的不同，需求4-20片導(dǎo)通電阻為60mΩ到80mΩ的單顆SiC MOSFET芯片。
從導(dǎo)通電阻的規(guī)格上來看，主驅(qū)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。
盡管硅基IGBT同樣有耐高壓的產(chǎn)品可以被應(yīng)用于電動汽車的800V平臺上，比如保時捷在2018年推出的電動跑車Taycan，就在800V平臺上選擇了硅基IGBT作為主驅(qū)逆變器的核心。
但在800 V高壓平臺上，SiC將能夠更為充分地發(fā)揮其自身作為寬禁帶半導(dǎo)體的特點，可有效降低器件的開關(guān)及導(dǎo)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(guī)格SiC功率器件來實現(xiàn)。所以，目前市面上其他已經(jīng)量產(chǎn)的800V平臺車型，幾乎都使用SiC器件。
SiC大規(guī)模上車之路，如何避免器件失效風(fēng)險
隨著需求增長以及應(yīng)用的深入，作為大規(guī)模上車不過5年時間的新材料新器件，在SiC應(yīng)用的過程中也并不總是一帆風(fēng)順。
今年4月，國家市場監(jiān)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)車輛的后電機逆變器功率半導(dǎo)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(dǎo)致后逆變器發(fā)生故障，造成逆變器不能正?？刂齐娏?。此故障發(fā)生在車輛處于停車狀態(tài)時，會導(dǎo)致車輛無法啟動；此故障發(fā)生在車輛行駛狀態(tài)時，會導(dǎo)致車輛失去行駛動力，極端情況下可能增加車輛發(fā)生碰撞的風(fēng)險，存在安全隱患。
而據(jù)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(dǎo)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(xiàn)失效的情況，夏超認(rèn)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(chǎn)制造過程中由于一致性差異所導(dǎo)致的問題；二是在客戶實際的使用過程中，可能會出現(xiàn)多種實驗室未能測試的盲區(qū)，進而導(dǎo)致器件出現(xiàn)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(fā)生，則可以從兩個方面來采取相應(yīng)措施：首先是要加嚴(yán)生產(chǎn)制造過程中的測試標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的動態(tài)可溯源，將故障風(fēng)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(chǎn)能、供應(yīng)問題，助力碳化硅加速滲透
顯然，隨著電動汽車市場的爆發(fā)式增長，對于SiC的需求也在不斷提高。以在旗下車型大規(guī)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(jù)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(chǎn)能來看甚至無法滿足一家車企的需求。
因此產(chǎn)能和供應(yīng)，是限制SiC上車的其中一個重要原因。在產(chǎn)能以及供應(yīng)方面，派恩杰與國際頂尖車規(guī)級SiC晶圓代工廠有深厚的合作關(guān)系，也是其亞洲最大的客戶，產(chǎn)能供應(yīng)具有明顯優(yōu)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(yè)的友商，且產(chǎn)品目錄齊全，能夠保證各大主流應(yīng)用的持續(xù)供應(yīng)。
據(jù)了解，目前派恩杰的SiC MOSFET已經(jīng)在多家汽車龍頭企業(yè)及tier 1穩(wěn)定交付，包括OBC與DC-DC等應(yīng)用。其中在一些行業(yè)頭部客戶，派恩杰已經(jīng)成為主要供應(yīng)商，并且公司SiC產(chǎn)品已經(jīng)廣泛運用于汽車OBC。而對于一些汽車主驅(qū)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(lián)方案的研究。
此外，派恩杰還將積極布局功率半導(dǎo)體模塊的開發(fā)，配合車廠研制性能優(yōu)良的主驅(qū)逆變器用的SiC功率模塊。針對SiC產(chǎn)能的緊缺，派恩杰半導(dǎo)體也在積極調(diào)研國內(nèi)的SiC產(chǎn)業(yè)鏈，為進一步擴大產(chǎn)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(lǐng)域的國際大廠，安森美近期在多地實現(xiàn)了對SiC功率器件產(chǎn)能的提升目標(biāo)。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(chǎn)能同比提升5倍；近期，安森美持續(xù)將捷克境內(nèi)的工廠進行投資擴建，這一舉措在未來兩年內(nèi)將會使得該基地的SiC產(chǎn)能提高16倍；與此同時，安森美還在羅馬尼亞成立新研發(fā)中心。
據(jù)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(guī)級產(chǎn)品在國內(nèi)的各大電驅(qū)大廠及新勢力均有合作，不僅是應(yīng)用于電動汽車的主驅(qū)，未來還將在OBC等領(lǐng)域進行更為深度的合作。
在主驅(qū)功率封裝技術(shù)方面，按照規(guī)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(yù)計到2023年底會實現(xiàn)雙面直接水冷，2024年中期進一步優(yōu)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(nèi)還是國外，在市場需求推動下，SiC襯底、器件的擴產(chǎn)規(guī)模以及速度都相當(dāng)迅速。產(chǎn)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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