替代IGBT的碳化硅還面臨著哪些挑戰(zhàn)

大家好，小科來為大家解答以上問題。替代IGBT的碳化硅還面臨著哪些挑戰(zhàn)這個(gè)很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、隨著汽車電氣化趨勢(shì)的上升，2021年電動(dòng)汽車已經(jīng)占據(jù)了新車銷量的5%。

2、據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2030年，電動(dòng)汽車的份額將超過30%，上路的電動(dòng)汽車數(shù)量將達(dá)到1500萬輛。

3、在汽車電氣化的牽引系統(tǒng)中，主逆變器中的功率模塊也有很多需求。

4、首先是動(dòng)力更大，意味著扭矩更大。

5、然后是更高的效率。在電池容量有限的情況下，更高的效率意味著更少的損耗，等于更長(zhǎng)的里程。

6、還有更高的電壓。目前，400V電池已經(jīng)成為主流標(biāo)準(zhǔn)，但800V系統(tǒng)，如保時(shí)捷Taycan和現(xiàn)代IONIQ5已經(jīng)開始起飛。

7、隨著快充需求的快速增加，800V快充方案和800V電池即將普及，逆變器必須能夠承受如此高的電壓。

8、其次，重量更低，重量的減輕也使得整車更輕，減少了電機(jī)負(fù)載，從而提高了電池壽命。

9、最后，它的尺寸更小，以適應(yīng)車軸，并在車內(nèi)提供更多的空間。

10、鑒于上述要求，業(yè)界普遍將碳化硅視為替代IGBT的下一代方案。

11、碳化硅在汽車牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

12、那么，在目前的汽車動(dòng)力系統(tǒng)中，碳化硅依靠什么優(yōu)勢(shì)取代IGBT呢？碳化硅功率模塊是以碳化硅半導(dǎo)體為開關(guān)的功率模塊，用于汽車逆變器中電能的高效轉(zhuǎn)換。

13、首先，與硅材料相比，碳化硅具有更高的硬度，因此更適合燒結(jié)工藝，并且具有更好的機(jī)械完整性。

14、碳化硅的另一個(gè)主要特點(diǎn)是擊穿電壓高，從400伏到800伏的轉(zhuǎn)變過程中，擊穿電壓必須加倍。

15、碳化硅的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為2500千伏/厘米，而硅材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)僅為300千伏/厘米，這意味著碳化硅可以用更低的厚度實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓。

16、然后就是眾所周知的散熱能力。碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的4倍以上，散熱更快，從而降低了電動(dòng)汽車的散熱成本。

17、當(dāng)然，最重要的屬性是它的帶隙。3.23eV的碳化硅帶隙帶來了更高的電子遷移率、更低的損耗和更快的開關(guān)速度。

18、VE-Trac直接碳化硅/安塞美

19、為了進(jìn)一步拓展碳化硅在汽車牽引逆變器中的應(yīng)用，安森美推出了全新的900V碳化硅功率模塊VE-Trac Direct SiC，采用六包封裝，可分為1.7m和2.2m導(dǎo)通電阻版本。

20、市面上實(shí)現(xiàn)如此低電阻的功率模塊并不多，大概只有Wolfspeed的CAB760M123等功率模塊可以與之相比，其導(dǎo)通電阻達(dá)到1.33m。

21、在測(cè)試仿真中，安森美將VE-Trac直接碳化硅與VE-Trac直接IGBT 820A進(jìn)行了對(duì)比。在使用相同電池的情況下，碳化硅功率模塊的效率可以提高5%，這意味著電池壽命可以提高5%。

22、這種效率的提高也被用來降低成本。如果里程固定，使用碳化硅功率模塊可以降低電池容量，進(jìn)而降低電池成本5%。

23、最后，如果使用1.7m的低電阻碳化硅功率模塊，功率可以比820A IGBT提高29%。

24、在碳化硅產(chǎn)品線上會(huì)議上，安森美產(chǎn)品線經(jīng)理Jonathan Liao對(duì)未來碳化硅產(chǎn)品和800V電池的優(yōu)勢(shì)發(fā)表了看法。

25、首先，碳化硅更高的擊穿電壓會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)800V電池的普及，以更低的電流達(dá)到同樣的功率，從而減少發(fā)熱，而更高電壓的電池會(huì)增加車載逆變器的功率密度。

26、在汽車層面，碳化硅實(shí)現(xiàn)了更高的電壓、更低的電流、更少的截面電纜和連接器，進(jìn)一步減輕了汽車的重量。

27、此外，碳化硅實(shí)現(xiàn)的更高充電功率，如35kW以上，可在20分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)80%的充電。

28、Jonathan Liao還提到，雖然800V的趨勢(shì)已經(jīng)開始出現(xiàn)，但未來的高性能機(jī)型將率先采用800V架構(gòu)。

29、不僅如此，除了凝膠6包的模組外，未來安森美還準(zhǔn)備推出傳遞模塑的碳化硅模組。

30、利用先進(jìn)的互聯(lián)技術(shù)進(jìn)一步提升功率密度，甚至可以達(dá)到200攝氏度以上的工作溫度，拓展碳化硅模塊的使用場(chǎng)景。

31、碳化硅推廣的障礙

32、那么，有了這些優(yōu)點(diǎn)，為什么今天汽車逆變器方案中沒有廣泛使用碳化硅呢？廖強(qiáng)給出了五個(gè)理由和碳化硅的現(xiàn)狀。

33、首先是成本。相信很多了解碳化硅的人都知道，碳化硅的價(jià)格比硅基IGBT還要高。不過，廖喬納森表示，目前碳化硅的成本較高，但這主要體現(xiàn)在模塊成本上。但如果考慮整車成本，碳化硅的方案成本更低。

34、如上所述，碳化硅可以降低電池的成本，電池往往是整車方案中最昂貴的部分。

35、然后是供應(yīng)問題。目前只有少數(shù)廠商提供碳化硅材料，如Wolfspeed、昭和電工、GT Advanced Technologies(GTAT)。

36、目前，許多半導(dǎo)體公司的碳化硅產(chǎn)品仍然是通過與這些供應(yīng)商的合同供應(yīng)的。

37、隨著安森美今年收購GTAT，安森美擁有了自己生產(chǎn)碳化硅襯底和外延的能力，以及自己的晶圓廠

38、其次是技術(shù)成熟度，Jonathan Liao指出與IGBT相比，碳化硅確實(shí)技術(shù)成熟度比不上后者。

39、但從該技術(shù)的發(fā)展速度、研發(fā)投入和實(shí)際應(yīng)用來看，無論是碳化硅半導(dǎo)體廠商還是汽車廠商，都認(rèn)為碳化硅技術(shù)已經(jīng)可以用于汽車牽引系統(tǒng)。

40、還有就是實(shí)現(xiàn)難度，因?yàn)檫@是一個(gè)快速開關(guān)裝置，所以必須對(duì)原先的設(shè)計(jì)做出一些挑戰(zhàn)。

41、最后是封裝問題，目前碳化硅方案為了普及采用了與IGBT相近的封裝方案，隨著后續(xù)發(fā)展，也會(huì)慢慢轉(zhuǎn)向更加先進(jìn)的封裝方案，提高壽命、散熱乃至性能上的表現(xiàn)。

42、小結(jié)固然碳化硅替代IGBT還面臨著不少挑戰(zhàn)，但從半導(dǎo)體巨頭堅(jiān)定投入的決心來看，這一寬禁帶半導(dǎo)體很快就會(huì)迎來在汽車市場(chǎng)的普及。

43、ST、Wolfspeed、英飛凌、羅姆和安森美等國外廠商的激烈競(jìng)爭(zhēng)下，國內(nèi)的碳化硅企業(yè)要想冒頭也并非一件易事。

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