替代IGBT的碳化硅还面临着哪些挑战？

随着汽车电动化趋势的崛起，2021年新卖出的车辆中，电动汽车已经占据了5%的份额。据统计数据预估，到2030年电动汽车的份额将超过30%，上路的电动汽车数量将达到1500万辆。

在汽车电气化的牵引系统中，主逆变器中的功率模块也多出了不少需求。首先自然是更大的功率，大功率意味着更大的扭矩。接着是更高的效率，在电池容量有限的情况下，更高的效率意味着更少的损失，等于更长的里程。

还有就是更高的电压，目前400V的电池已经成为了主流标配，但800V的系统已经开始冒头，比如保时捷Taycan和现代IONIQ5等。随着快充需求的激增，800V的快充方案和800V的电池也即将普及，逆变器也必须要能够经受住这样的高压。

其次是更低的重量，重量的减少也让整车重量变轻，降低了电机负载，进而提升续航。最后是更小的体积，以便塞进车轴里，提供更大的车内空间。针对以上需求，业界普遍将碳化硅视为了替代IGBT的下一代方案。

汽车牵引系统中的碳化硅

那么在当下汽车的动力系统中，碳化硅靠什么优势来替代IGBT呢？碳化硅功率模块是使用碳化硅半导体作为开关的功率模块，在汽车逆变器中用于高效地转换电能。首先与硅材料相比，碳化硅的硬度更高，所以更适合烧结工艺，机械完整性更好。

碳化硅的另一大特质就是高击穿电压，在400V朝800V的过渡下，击穿电压也必须要加倍。碳化硅的击穿场强为2500kV/cm，而硅材料只有300kV/cm，这意味碳化硅可以在更低的厚度下实现更高的击穿电压。

接着就是众所周知的散热能力，碳化硅的导热系数是硅的四倍以上，所以在散热上更快，进而减少电动汽车在散热上的成本。当然最重要的属性自然是其禁带宽度了，碳化硅3.23eV的禁带宽度带来了更高的电子迁移率和更低的损失，开关速度也更快。


VE-Trac Direct SiC / 安森美

为了进一步扩展碳化硅在汽车牵引逆变器的应用，安森美推出了全新的900V碳化硅功率模块VE-Trac Direct SiC，该模块采用了six-pack的封装，分为1.7 mΩ和2.2 mΩ 导通电阻的版本。市面上做到如此低电阻的并不多，大概也只有Wolfspeed的CAB760M12HM3之类的功率模块才能与之对比了，其导通电阻做到了1.33 mΩ。

在测试仿真中，安森美将VE-Trac Direct SiC与VE-Trac Direct IGBT 820A进行了对比，在使用同样电池的情况下，碳化硅功率模块可以提高5%的效率，意味着续航可以提升5%。这样的效率提升也用来降低成本，如果里程为固定目标的话，使用碳化硅功率模块可以减小电池的容量，进而减少5%的电池成本。最后，如果使用1.7 mΩ这样的低阻碳化硅功率模块的话，与820A IGBT相比，可以将功率提升29%。

在其碳化硅产品的线上会议中，安森美产品线经理Jonathan Liao对未来碳化硅的产品以及800V电池带来的优势发表了自己的见解。首先碳化硅更高的击穿电压将进一步促进800V电池的普及，以更低的电流做到同样的功率，从而减少发热，而更高电压的电池将提高车载逆变器的功率密度。

在汽车层面上，碳化硅实现了更高的电压、更低的电流和更少的横截面电缆和连接器，进一步降低汽车重量。此外，碳化硅实现的更高充电功率，比如35kW以上，可以实现在20分钟内充够80%的电量。Jonathan Liao也提到，虽然800V的趋势已经开始显现，但未来还是高性能的车型会率先采用800V的架构。

不仅如此，除了凝胶6-pack的模块外，未来安森美也准备推出转移模塑的碳化硅模块。利用先进的互联技术进一步提升功率密度，甚至可以做到200摄氏度以上的工作温度，扩展碳化硅模块的使用场景。

碳化硅普及的障碍

那么有了这些优势，为什么如今汽车逆变器方案中为何没有普及碳化硅的使用呢？ Jonathan Liao给出了5大原因以及碳化硅的现状。首先就是成本，相信不少了解碳化硅的人都知道碳化硅的价格要高于硅基IGBT，然而Jonathan Liao表示，目前碳化硅的成本固然要更高，但这主要体现在模块成本上，然而若考虑整车成本，碳化硅的方案成本反而要更低一些。正如上文中提到的，碳化硅可以减少电池上的成本，而整车方案中往往成本最高的部分就是电池。

接着是供应问题，目前碳化硅材料只有少数几家厂商提供，比如Wolfspeed、昭和电工和GT Advanced Technologies（GTAT）等。目前不少半导体公司的碳化硅产品，仍是靠与这些供应商的合约来供应。随着安森美于今年收购GTAT后，安森美有了自己生产碳化硅衬底和外延的能力，其晶圆厂也开始准备从150mm朝200mm转移。

其次是技术成熟度，Jonathan Liao指出与IGBT相比，碳化硅确实技术成熟度比不上后者。但从该技术的发展速度、研发投入和实际应用来看，无论是碳化硅半导体厂商还是汽车厂商，都认为碳化硅技术已经可以用于汽车牵引系统。

还有就是实现难度，因为这是一个快速开关装置，所以必须对原先的设计做出一些挑战。最后是封装问题，目前碳化硅方案为了普及采用了与IGBT相近的封装方案，随着后续发展，也会慢慢转向更加先进的封装方案，提高寿命、散热乃至性能上的表现。
小结

固然碳化硅替代IGBT还面临着不少挑战，但从半导体巨头坚定投入的决心来看，这一宽禁带半导体很快就会迎来在汽车市场的普及。ST、Wolfspeed、英飞凌、罗姆和安森美等国外厂商的激烈竞争下，国内的碳化硅企业要想冒头也并非一件易事。