碳化硅的前世今生之04：为什么首先是汽车应用？

目前，电动汽车已成为碳化硅的核心应用场景，使用碳化硅器件的OBC和DC-DC转换器应用已经比较成熟，不过，采用碳化硅的主驱逆变器还没有大规模量产。我们来看看汽车应用有什么特点。

根据Yole预测，到2025年，电动汽车（EV/HEV）的功率碳化硅器件市场将超过15亿美元，年复合增长率为29%。就汽车市场增长和设计机会而言，碳化硅已经成为最具活力的技术之一，已成为应用的新赛道，其渗透率正在快速增加。

根据Yole和System Plus Consulting的说法，政府减少二氧化碳排放的目标是乘用车电气化的主要驱动力。目前，汽车厂商将汽车电气化作为一种非常有效的方式来减少其车队的二氧化碳排放量，从而避免沉重的经济处罚。

过去，由于电池成本高，行驶里程短，人们预计全电动汽车的过渡速度会相当缓慢。但是近几年，由于电池技术的快速发展、制造成本的降低、供应链的不断完善令电动汽车的发展正在加快。

Yole的分析师说，电动汽车，包括混合动力汽车已成为电力电子行业创新的主要驱动力，其重点是电动汽车的牵引逆变器。到2025年，电动汽车/混合动力汽车市场将超过3100万辆，年复合增长率将达到35.2%。

牵引逆变器是电动汽车的发展重点，因为它和蓄电池、电动机一起是不同汽车厂商车辆技术性能的几个关键差异化因素。逆变器效率的提高有助于降低从电池到电机的能量损耗，延长行驶里程，也直接影响车辆的性能和用户的驾驶体验。

由于碳化硅的典型特性，它已成为整个电力电子市场的主要驱动因素之一，汽车应用有望成为碳化硅功率半导体领域的主要市场之一。正如Yole指出的那样，在市场增长和设计导入方面，碳化硅已成为最具活力的技术之一。碳化硅正在渗透到汽车应用的新赛道。这一市场在2023年之前仍可保持44%的增长速度。

早在2018年，特斯拉就率先在其电动车上使用了全碳化硅方案，也引爆了碳化硅器件的应用热点。在此之前，受制于多方面因素，碳化硅器件产业化推进速度一直比较缓慢。

Yole的电动汽车电力电子产品报告预计，到2026年，主逆变器市场预计将达到195亿美元，占整个电动汽车转换器市场的67%，年复合增长率为25.9%。在功率半导体市场，IGBT和碳化硅模块之间的技术角逐的序幕已经拉开，预计2020年至2026年后者的价值将翻三番。

近年来，电动汽车碳化硅商用时代刚刚开启。在汽车领域，作为颠覆性技术的碳化硅将为电动汽车应用带来创新和最新的商业机会。

IGBT诞生于1980年，它是将功率器件的金属氧化物半导体（MOSFET）和双极型晶体管（BJT）巧妙结合做出了绝缘栅双极晶体管。直到现在的很长一段时间里，硅IGBT都是标准逆变器功率模块集成的主要器件。

1986年，硅IGBT技术首次商用发布，得益于硅器件成熟的基础设施和工艺，器件不断推陈出新。除了性能改进外，由于向12英寸硅晶圆的过渡，硅IGBT的成本将进一步降低，这将使其与宽禁带材料的竞争更加激烈。

前面说过，碳化硅MOSFET在功能方面更胜一筹，例如在更高的频率和温度下工作的特性。它是进入1200V功率器件领域的理想选择，但其高昂的制造成本，以及IGBT技术的不断完善，仍将使最新型号的IGBT在市场上立于不败之地，并推动其标准化和广泛采用。

IGBT的优点在于，采用塑壳封装，具有更好的导热性；片芯连接可改善热可靠性和寿命；互连寿命更长和降低电感；基板连接可提高可靠性和减小厚度；衬底导热性更高；结温、外壳温度和散热器温度都可以得到满足。

碳化硅MOSFET的优势是在高温下具有非常低的导通电阻，在所有温度范围内都具有比同类IGBT更好的开关性能，加上采用先进创新封装，可以在简化电力电子系统热设计的同时，实现更高效和紧凑的系统。

从技术角度看，IGBT和碳化硅MOSFET功率模块都有不足，在硅模块中，不匹配的CTE（热膨胀系数）容易使各层相互分离，引发器件失效。随着碳化硅的引入，这个问题变得更加突出，实际上碳化硅的主要问题是材料密度引起的热耗散，因此需要有合适的封装和系统集成创新方案。

电动汽车的发动机舱的可用空间非常有限，很难容纳大体积的功率控制单元。因此，控制电动汽车牵引电机的功率控制单元必须具有更高的功率密度，体积更小。

碳化硅具有更高的热学和电学性能，是高压工作条件下硅的有力竞争对手。不过，高功率密度需要良好的散热，因此需要新的封装来提高器件性能。为了实现这一目标，制造商们开发了不同的解决方案，例如限制引线键合或使用模压成型结构来有效地冷却功率半导体芯片，同时降低电互连电感，提高可靠性。

特斯拉逆变器由24个功率模块组成，这些模块组装在一个Pin Fin散热片上。每个模块包含两个创新片芯连接解决方案的碳化硅MOSFET，并通过直接连接在端子上的铜夹和铜基板散热。碳化硅MOSFET采用最新的工艺制造，可降低传导损耗和开关损耗。

在更高温度下，标准塑封可能会在不同层面出现可靠性问题，包括引线键合、基板到封装。为了在竞争激烈的市场中保持竞争力，模块制造商必须在高可靠性和保持成本效益之间取得平衡。

由于电动汽车是一个相对较新的业务领域，许多参与者都在使用专有模块设计实现更高的性能，包括高性能的封装解决方案，以保证根据性能要求将模块更好地集成到最终系统中。

在实际封装中，我们可以发现不同的趋势，如：转移模塑结构、塑料外壳、金属外壳；基板上Pin-Fin散热器；基板组件集成设计；单面或双面冷却技术；SiN-AMB（氮化硅-活性金属钎焊）基板；银烧结片芯连接、丝网印刷、锡基连接。

其中模压双面冷却模块用散热器取代塑料外壳，使逆变器更加紧凑和高度模块化。例如，日立为奥迪e-tron和保时捷Taycan开发的双面冷却功率模块，以集成基板为金属外壳，采用直接水冷型双面冷却功率模块实现了逆变器小型化。

传统功率模块是在普通基板上涂上导热硅脂，再通过散热片进行散热，较新的方法是不使用导热硅脂，直接采用降低热阻的直接单面冷却，直接水冷型双面冷却功率模块的出现成倍扩大了冷却面积。

英飞凌和丰田也开发了双面冷却解决方案，当然，这些模块的开关的数量不同，材料也不一样。

以英飞凌最近为OBC设计者应对封装热管理挑战推出创新顶部冷却方法为例，看看它是如何发挥OBC设计的潜力。

OBC的作用是将来自电网的交流电源转换为直流电压，为牵引蓄电池充电。OBC的尺寸和重量必须最小化，才能减少对里程的影响，同时仍能快速高效充电。

OBC的另一个挑战是动力等级的快速增加，几年前3.6kW是最先进的，未来功率将成倍增长，在同样空间可能达到11kW。

增加功率密度是OBC设计师考虑最多的问题，尺寸和重量的减少将有助于扩大电动汽车里程。提高效率不仅可以减少OBC内的热量积聚，还可以从有限的电网源输送更多的能量给牵引蓄电池充电，缩短有效充电时间。

另外，双向运行要求对于OBC设计师来说也是一个挑战。随着电动汽车的使用变得越来越普遍，电网上的压力将显著增加，尤其是当人们希望在同一时间给车辆充电时。事实上，电动汽车中储存的大量能量既可以用于稳定交流电网，也可以在高峰时间为房屋供电，以减少峰值需求。

此外，当交流电网出现停电故障时，电动汽车可以充当家用电源。要做到这一点，OBC需要能够从牵引蓄电池传输能量并接收能量。为了应对这些挑战，选择的拓扑结构和使用的技术都很重要，尤其是开关元件。在大多数情况下，WBG（宽禁带）解决方案将有助于提供所需的性能优势。

由于篇幅所限，先聊到这里，下一篇文章将继续解读碳化硅器件在汽车中的应用创新。

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