科普碳化硅材料：新一代汽车功率半导体

最近汽车半导体非常火热，很多朋友特别感兴趣新一代碳化硅材料汽车功率半导体。今天就和小星一起来聊一下碳化硅材料在汽车功率半导体和电动汽车当中的应用吧。

↑汽车功率半导体晶圆

什么是半导体

所谓半导体其实就是大家身边电子设备里的集成电路芯片。那么说到芯片就要说一下它的基础材料（衬底材料）。我们目前身边最常看到的芯片，不管是手机处理器，还是电脑里的CPU。其使用的基础材料都是硅Si。那么为什么要使用硅作为最常见半导体的基础材料呢？

首先硅元素在地球上的储量是非常大的，仅次于氧元素。其实说白了就是这些芯片都源自沙子（二氧化硅SiO2）。并且硅元素和大部分硅的稳定化合物都是无毒的。这样对应硅的半导体工艺可以获得更大的产量和良品率。同时生产过程中对人员和环境的保护也比较容易实现。

↑汽车功率半导体

另一非常重要的因素，硅的氧化物二氧化硅非常非常的稳定。二氧化硅可以很容易的在硅的基础上通过半导体工艺氧化得到。这时候得到的不再是沙子，而是类似玻璃的均匀隔离层。既有良好的绝缘特性又可以很好的控制其尺寸和厚度。

那么为什么要重点控制其尺寸和厚度呢？因为二氧化硅材料就是用来制作大规模集成电路中基础单元开关管MOSFET栅极的材料。平常芯片工艺说的是28nm或者22nm，这个非常非常小的纳米级尺寸就是特征线宽。特征线宽的一个非常重要表征就是栅宽（栅极宽度）。

↑电动汽车水冷电机逆变器

电动汽车的功率电子

电动汽车中需要使用大量的功率电子器件。据丰田汽车统计，功率电子器件用量在电动汽车中占到所有半导体器件的25%。电动汽车上就有很多非常粗的橙色功率电缆，用鲜亮的颜色提醒需要谨防高压。另一个是功率等级高了近50倍。这么高的功率等级使得功率控制器必须采用水冷冷却才能正常工作。水冷的电机逆变器为了在内部流出水道体积非常大。

新一代碳化硅材料

↑碳化硅材料的优势

这些特殊的设计都是的整个功率电子的成本成指数级的上升。那么功率电子的趋势是不是就是在目前的基础上提高耐压和功率能力呢？也许不是。我们回到最开始讲的半导体基础材料硅。那么如果换成其他基础材料会怎么样呢？

先来说一下一个概念带隙（也叫能隙）bandgap。原子里面的结构是中间是质子中子，外围是电子在轨道上旋转。就像地球和卫星一样。质子带正电吸引带负电的电子在固定轨道上旋转。要让电子脱离轨道形成自由电子就需要相应的能量。这个能量称为跃迁能量。因此带隙是半导体材料的一种属性，决定了半导体材料的导电性，耐高温，耐高电压等等特性。

↑碳化硅材料与硅材料传统IGBT比较

今天要讲的就是宽带隙wideband gap的半导体基础材料在功率电子的应用。碳化硅SiC材料是硅的一种化合物。是一种非常坚硬耐高温的陶瓷状物质。有很多高性能跑车的陶瓷刹车片就是用碳化硅制成的。这种刹车片能够承受更高的温度，有更好的散热效果。在跑车更频繁的刹车动作下，陶瓷刹车片拥有更小的热衰减，刹车的效果不会因为过热而有明显的降低。碳化硅的这种特性原因是它有更宽的带隙，它的带隙为硅的3倍。可以耐受更高的电压（10倍），有更好的导热特性（3倍）以及有更好的高温稳定性。同时它的同功率尺寸要比硅更小，并且有更快的开关速度。更快的开关速度就意味着更小的开关损耗。因此碳化硅材料非常适合作为功率电子器件的基础材料。

碳化硅材料在电动汽车中的应用

↑特斯拉率先量产碳化硅材料电机逆变器

那么碳化硅器件在电动汽车上的应用是不是还离我们很远呢？其实碳化硅材料已经在特斯拉Model3和ModelY车型的电机逆变器上量产并大量使用。相比于ModelS和ModelX车型采用的硅材料IGBT方案，采用新一代碳化硅材料的Model3和ModelY车型电机逆变器的尺寸减小80%，减重57%，并且提升10%的能量效率。

↑特斯拉Model3电机逆变器细节

特斯拉Model3电机逆变器细节来看，它采用了24个定制的碳化硅功率驱动模块和定制的DC-LINK电容来大幅提高电机逆变器的功率密度。而碳化硅材料帮助特斯拉在如此高的集成度下大幅提高了能量效率，减少了散热压力，提升了电动汽车的续航里程和加速性能。

↑蔚来汽车新一代电机逆变器比较

国内的蔚来汽车最近也高调宣布将在即将上市的ET7高性能轿车车型上采用新一代碳化硅材料的电机逆变器。相比之前ES8和ES6车型采用的硅材料IGBT电机逆变器，新一代碳化硅材料逆变器优化了电机电磁方案、减速器速比以及更精准预测模块寿命。与此同时，得益于碳化硅材料优良的能量效率，新一代的电机逆变器集成度更高，电机功率达到了180kW，峰值功率提升30%，峰值扭矩提升23%。

↑蔚来汽车新一代电机逆变器采用碳化硅材料

蔚来汽车新一代电机逆变器采用碳化硅材料大幅优化了导通电阻和热阻，从而在集成度更高的情况下，超越了传统硅材料IGBT电机逆变器160kW功率，达到了180kW的强大输出功率。于此同时，新一代电机逆变器在驱动噪音上进行了全面优化，提高了车辆加速性的同时，改善了驾乘感受。

综上所述，希望今天的介绍能够帮助大家更好的了解碳化硅材料在汽车功率半导体和电动汽车的应用，也希望新材料的创新能够帮助电动汽车更快的普及，带来更优的驾乘体验。

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