属于自主SiC车用功率器件的时代真的要来了

比亚迪半导体的功率器件的升级和推广应用，会是我们见证的最好的成长故事之一。

如果说十年四代IGBT芯片的开发，是自主半导体缩小与外资差距的一个过程，到SiC MOS的研发和和应用，就站上了同一赛道。

新赛道对于入局其中的半导体企业而言是输赢，对SiC功率器件却能使成本太高的它飞入寻常百姓家。这将是半导体材料在汽车领域应用的一个颠覆时刻。

很明显，比亚迪汉EV，国内首款应用自主研发SiC模块的电动汽车，不仅是自主应用第三代半导体材料的开始，更是该材料进入中高端量产车的开端。

国内首款SiC模块的全面应用

汉，比亚迪旗舰级电动汽车，集比亚迪旗下零部件最新高科技产品于一身。自7月12日上市，它就成为被研究、被解析的对象。

SiC MOSFET功率器件，是比亚迪自主研发、制造的、除了刀片电池以外的又一具有领先优势的零部件。

一个数字就可以很直接地展现SiC功率器件的功力：汉EV四驱高性能版百公里加速度3.9秒。

NE时代记者混迹各大论坛、交流群后发现，相当一部分消费者下单3.9秒版汉EV。该版本的汉EV比中配7.9秒仅贵出2.37万元，但能够让驾驶者享受到更为纯粹的电动汽车性能。

搭载SiC功率器件的电机控制器，毋庸置疑是这一纯粹高性能背后的一大功臣。

电动汽车在追求更短的百公里加速时，需要电机的全马力高效快速输出。这时，需要驱动电机有更高的电压平台，要求逆变器内的功率器件能够承受住高压。

SiC功率模块的优势就在于此，能够承受比Si基功率器件更高的电压。更重要的是，比亚迪半导体在SiC模块正面采用铜夹互连工艺，降低寄生电感，提升芯片过电流能力。最终其SiC模块实现了可达200KW的输出功率，提升一倍的功率密度。

于是采用了SiC模块的汉EV四驱版百公里加速可达3.9秒，较之采用IGBT 4.0芯片的全新一代唐EV的4.4秒高于0.5秒，成为比亚迪王朝家族的新加速冠军。而全新一代唐EV在去年上市时百公里加速性能已经十分优异。

芯片过电流能力的提升，意味着流经功率器件的电流损耗小，直流转交流后的电流相对更多。也就是说，采用了SiC模块的逆变器能够最大化保证电池输出的能量的利用效率。

据了解，比亚迪半导体的SiC模块效率更高，与当前的1200V硅基IGBT模块相较，NEDC工况下电控效率提升3%-8%。

相同续航里程下，由于电控效率的提升，电动汽车就可以减少电池容量，如原本用70kWh的电池才能跑500km，现在有了SiC模块的逆变器，电池容量就可以减少到64kWh。或者，同样容量的动力电池，在SiC模块的电动汽车上就可以多跑5%以上的续航。

可以看到，汉EV高配四驱版虽增加了一套后驱电机电控及其他配置，整备质量提升150kg，百公里加速提升4秒，但容量同为76.9kWh的情况下，它的续航依然在550km，仅比单电机版汉EV的605km少了9.09%。

巴掌大的碳化硅模块

为了将电机的功率与扭矩发挥到极致，汉EV首次应用了比亚迪自主研发并制造的高性能碳化硅MOSFET控制模块。这是它应对高效、节能挑战交出的答卷之一。

比亚迪认为，提高电动汽车电机驱动系统的功率密度，是更高效、节能新能源汽车发展所面临的主要挑战。作为新能源汽车引领者，比亚迪一直致力于高效、节能技术的开发。

IGBT 4.0是比亚迪半导体于2018年推出的新型功率器件。它是十年积累的一次爆发，较市场主流的IGBT的电流输出能力高15%。它已经用于比亚迪唐EV等电动汽车上，支持整车具有更强的加速能力和更大的功率输出能力。

然而，由于受到材料限制，传统Si基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的极限，如工作温度、电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等，尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。

SiC器件以其超低的开关及导通损耗、超200度的工作结温等特性，在实现系统高效率和高频化方面起到决定性作用。SiC功率器件的应用，有助于实现功率模块的小型化，进而提高电机驱动系统的功率密度和可靠性，解决新能源汽车发展所面临的难题。

由于损耗很小，碳化硅芯片面积约为同规格硅IGBT的四分之一，因此功率密度得到非常显著地提高。此次汉EV的SiC模块同功率情况下体积较IGBT缩小一半以上，功率密度提升一倍。

小型化的功率器件便于电驱动系统的紧凑型三合一集成设计。SiC模块无疑帮助比亚迪提升与小型化、集成化电驱动趋势的贴合度上。其实，IGBT时代，比亚迪就选择与集成化电驱动趋势为友，研制并在量产车上大规模配置三合一电驱动。

比亚迪半导体IGBT芯片产品部高级研发经理吴海平曾在2019年NE时代举办的元器件论坛中分享道：“真正在汽车上的碳化硅模块，现在对外发布的还不多。比亚迪今年是会推出一款碳化硅的车用模块，这个模块尺寸很小，就跟手巴掌一样。规格对应1200V/600A IGBT模块，也可以做成800A，今年我们公司有一款车上会开始应用。”

这款巴掌大的SiC MOSFET就是用于汉EV电机控制器的功率模块。

比亚迪也正与外部电控供应商探索碳化硅MOS功率模块的应用研究。根据蓝海华腾董秘的回答，比亚迪与蓝海华腾联合申请的“碳化硅MOSFET芯片和模块关键技术研发”项目目前正在实施期。比亚迪负责碳化硅MOS的研发和应用研究，蓝海华腾主要负责匹配碳化硅MOSFET功率模块在电机控制器的应用研究，双方共同探索相关的功率器件的国产化替代。

SiC的成熟化

半导体界公认，碳化硅（SiC）是一种应用潜力广阔，且性能优异的新型半导体材料。未来，它将替代性能达到极限的硅（Si）作为基片，在风光发电、光伏逆变、新能源汽车、航天军工等领域发挥价值。

SiC属于宽禁带半导体，相对于传统的硅基器件有许多优越的物理特性：

（1）禁带宽度是Si的3倍，可以在500℃或更高的温度下运行。这时它对冷却系统的要求比较低，而且热损耗会降低；

（2）临界击穿电场强度是硅材料近10倍，因此具有耐高压特性。同样耐压的情况下，碳化硅器件厚度只有硅器件的十分之一，因此碳化硅器件有着更低的导通和开关损耗；

（3）热导率是硅的3倍，更高的热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却；

（4）饱和漂移速度高出硅一倍，开关速度快，从而降低能量损耗，减少电容电感的体积。

目前高压领域主要使用Si基IGBT。它是在Si基MOSFET基础上升级改进的功率器件，因此具备MOSFET器件开关速度快的特点，同时具备高耐压水平。

Si IGBT大量应用于新能源汽车的OBC、DCDC和电机控制器中。尤其是电机控制器厂家，一般会选用导通压降小、耐压高的IGBT芯片，而非用于燃油车或轻混车中的MOSFET。

另一方面，电机控制器厂家在极力提高逆变器的功率密度，它对更小的导通损耗、更高的耐温耐压能力和更快的开关速度提出要求。

原先的IGBT是双极型器件，在关断时存在拖尾电流，造成比较大的关断损耗。MOSFET是单极器件，不存在拖尾电流，当它使用SiC半导体材料制备时，MOSFET的导通电阻、开关损耗大幅降低，整个功率器件具有高温、高效和高频特性，在车用电机控制器等高压部件中可以得到更有效的利用。

诞生了100多年的碳化硅，在21世纪新的十年里找到它可以实现快速发展和应用的领域。

新能源汽车行业中，OBC和DCDC是最先应用SiC MOSFET功率器件的零部件。

2017年时，比亚迪半导体团队打破技术垄断，自主研发出适合于新能源汽车使用的两款碳化硅功率MOS器件BF930N120SNU（1200V/30A）和BF960N120SNU（1200V/60A），并同步研制开发1200V/200A和1200V/400A全SiC MOS模块。

从2018年开始，比亚迪碳化硅MOS器件就批量应用于DC/DC、OBC中。

比亚迪充配电三合一采用电力电子集成技术，将车载电源（OBC+DC/DC转换器）与配电箱（PDU）深度集成，做到“轻量化、小型化、集成化及低成本”。通过运用碳化硅MOS，DC＋OBC功率密度可达2.1KW/L。

应用到电驱动部件，功率器件要做到小型化，更要保证可靠性。毕竟电驱动是关系到电动汽车行车安全的重要部件之一。

因此，应用到逆变器中的SiC模块采用纳米银烧结工艺和国际先进AMB（活性金属钎焊） Si3N4厚铜技术，大幅降低热阻，降低芯片结温10℃以上，更优的散热性能大大提升了芯片使用寿命，产品可靠性更高，无惧各类严苛路况。

逆变器，是SiC MOSFET功率器件在新能源汽车上的应用打通高压部件的关键。两者的结合，创造一个全新的细分需求领域。

在这个细分领域里，国内有技术有配套的半导体企业数量不多。而功率器件本身壁垒比较高，是企业可以通过技术优势赢得客户，实现规模化效应的产品。正因如此，比亚迪半导体才在不到一个月的时间里就受到了30家机构、合计27亿元的融资。

当SiC功率器件迈出第一步，走向大规模应用之时，国内半导体企业也在一步步发展起来。这是他们共同的成长机会。