電子發(fā)燒友網報道（文/周凱揚）隨著汽車電動化趨勢的崛起，2021年新賣出的車輛中，電動汽車已經占據(jù)了5%的份額。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)預估，到2030年電動汽車的份額將超過30%，上路的電動汽車數(shù)量將達到1500萬輛。

在汽車電氣化的牽引系統(tǒng)中，主逆變器中的功率模塊也多出了不少需求。首先自然是更大的功率，大功率意味著更大的扭矩。接著是更高的效率，在電池容量有限的情況下，更高的效率意味著更少的損失，等于更長的里程。

還有就是更高的電壓，目前400V的電池已經成為了主流標配，但800V的系統(tǒng)已經開始冒頭，比如保時捷Taycan和現(xiàn)代IONIQ5等。隨著快充需求的激增，800V的快充方案和800V的電池也即將普及，逆變器也必須要能夠經受住這樣的高壓。

其次是更低的重量，重量的減少也讓整車重量變輕，降低了電機負載，進而提升續(xù)航。最后是更小的體積，以便塞進車軸里，提供更大的車內空間。針對以上需求，業(yè)界普遍將碳化硅視為了替代IGBT的下一代方案。

汽車牽引系統(tǒng)中的碳化硅

那么在當下汽車的動力系統(tǒng)中，碳化硅靠什么優(yōu)勢來替代IGBT呢？碳化硅功率模塊是使用碳化硅半導體作為開關的功率模塊，在汽車逆變器中用于高效地轉換電能。首先與硅材料相比，碳化硅的硬度更高，所以更適合燒結工藝，機械完整性更好。

碳化硅的另一大特質就是高擊穿電壓，在400V朝800V的過渡下，擊穿電壓也必須要加倍。碳化硅的擊穿場強為2500kV/cm，而硅材料只有300kV/cm，這意味碳化硅可以在更低的厚度下實現(xiàn)更高的擊穿電壓。

接著就是眾所周知的散熱能力，碳化硅的導熱系數(shù)是硅的四倍以上，所以在散熱上更快，進而減少電動汽車在散熱上的成本。當然最重要的屬性自然是其禁帶寬度了，碳化硅3.23eV的禁帶寬度帶來了更高的電子遷移率和更低的損失，開關速度也更快。

VE-Trac Direct SiC / 安森美

為了進一步擴展碳化硅在汽車牽引逆變器的應用，安森美推出了全新的900V碳化硅功率模塊VE-Trac Direct SiC，該模塊采用了six-pack的封裝，分為1.7 mΩ和2.2 mΩ 導通電阻的版本。市面上做到如此低電阻的并不多，大概也只有Wolfspeed的CAB760M12HM3之類的功率模塊才能與之對比了，其導通電阻做到了1.33 mΩ。

在測試仿真中，安森美將VE-Trac Direct SiC與VE-Trac Direct IGBT 820A進行了對比，在使用同樣電池的情況下，碳化硅功率模塊可以提高5%的效率，意味著續(xù)航可以提升5%。這樣的效率提升也用來降低成本，如果里程為固定目標的話，使用碳化硅功率模塊可以減小電池的容量，進而減少5%的電池成本。最后，如果使用1.7 mΩ這樣的低阻碳化硅功率模塊的話，與820A IGBT相比，可以將功率提升29%。

在其碳化硅產品的線上會議中，安森美產品線經理Jonathan Liao對未來碳化硅的產品以及800V電池帶來的優(yōu)勢發(fā)表了自己的見解。首先碳化硅更高的擊穿電壓將進一步促進800V電池的普及，以更低的電流做到同樣的功率，從而減少發(fā)熱，而更高電壓的電池將提高車載逆變器的功率密度。

在汽車層面上，碳化硅實現(xiàn)了更高的電壓、更低的電流和更少的橫截面電纜和連接器，進一步降低汽車重量。此外，碳化硅實現(xiàn)的更高充電功率，比如35kW以上，可以實現(xiàn)在20分鐘內充夠80%的電量。Jonathan Liao也提到，雖然800V的趨勢已經開始顯現(xiàn)，但未來還是高性能的車型會率先采用800V的架構。

不僅如此，除了凝膠6-pack的模塊外，未來安森美也準備推出轉移模塑的碳化硅模塊。利用先進的互聯(lián)技術進一步提升功率密度，甚至可以做到200攝氏度以上的工作溫度，擴展碳化硅模塊的使用場景。

碳化硅普及的障礙

那么有了這些優(yōu)勢，為什么如今汽車逆變器方案中為何沒有普及碳化硅的使用呢？Jonathan Liao給出了5大原因以及碳化硅的現(xiàn)狀。首先就是成本，相信不少了解碳化硅的人都知道碳化硅的價格要高于硅基IGBT，然而Jonathan Liao表示，目前碳化硅的成本固然要更高，但這主要體現(xiàn)在模塊成本上，然而若考慮整車成本，碳化硅的方案成本反而要更低一些。正如上文中提到的，碳化硅可以減少電池上的成本，而整車方案中往往成本最高的部分就是電池。

接著是供應問題，目前碳化硅材料只有少數(shù)幾家廠商提供，比如Wolfspeed、昭和電工和GT Advanced Technologies（GTAT）等。目前不少半導體公司的碳化硅產品，仍是靠與這些供應商的合約來供應。隨著安森美于今年收購GTAT后，安森美有了自己生產碳化硅襯底和外延的能力，其晶圓廠也開始準備從150mm朝200mm轉移。

其次是技術成熟度，Jonathan Liao指出與IGBT相比，碳化硅確實技術成熟度比不上后者。但從該技術的發(fā)展速度、研發(fā)投入和實際應用來看，無論是碳化硅半導體廠商還是汽車廠商，都認為碳化硅技術已經可以用于汽車牽引系統(tǒng)。

還有就是實現(xiàn)難度，因為這是一個快速開關裝置，所以必須對原先的設計做出一些挑戰(zhàn)。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，也會慢慢轉向更加先進的封裝方案，提高壽命、散熱乃至性能上的表現(xiàn)。

小結

固然碳化硅替代IGBT還面臨著不少挑戰(zhàn)，但從半導體巨頭堅定投入的決心來看，這一寬禁帶半導體很快就會迎來在汽車市場的普及。ST、Wolfspeed、英飛凌、羅姆和安森美等國外廠商的激烈競爭下，國內的碳化硅企業(yè)要想冒頭也并非一件易事。

原文標題：替代IGBT的碳化硅還面臨著哪些挑戰(zhàn)？

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