碳化硅芯片正在占领电动汽车市场

在纯电动汽车的众多电子系统中，功率电子设备是核心所在，而半导体在其能源管理中发挥着关键作用，确保能源的高效使用。由碳化硅制成的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）更是能将电动出行的效率提升到全新的水平。虽然半导体技术已在某些领域广泛应用，但在某些汽车应用中仍处于初期阶段。作为半导体制造商和汽车专家，博世对碳化硅的未来持乐观态度。

碳化硅属于宽禁带半导体材料，这种较宽的禁带相较于硅具有若干优势：得益于更高的击穿场强，这些特殊半导体能够在较低导通电阻下阻挡更高的电压，使其成为高压应用的理想选择。此外，改进的温度稳定性确保该半导体即使在接近400华氏度（约204摄氏度）的高温下也能保持其性能。碳化硅的另一个关键优势在于其更高的载流子迁移率，这使其相比传统硅基解决方案能够显著提高开关频率。这些优势共同提升了整体效率。

01为什么碳化硅值得关注

碳化硅的主要优势因芯片应用的车辆部件不同而有所差异。在电动汽车中，碳化硅主要增强了电力电子设备，尤其是逆变器、DC/DC转换器和车载充电器。碳化硅在逆变器中的应用提高了效率，从而增加了续航里程。

碳化硅MOSFET的开关瞬态比硅基IGBT高，允许更快的开关速度。通过提高开关速度，总体开关损耗减少了大约50%。此外，碳化硅技术支持更高的开关频率，可达到24 kHz。这一能力显著提升了DC/DC转换器和车载充电器的效率，使系统更为紧凑、轻便。配备碳化硅半导体的逆变器提高了电驱动系统的整体效率，结合其它系统改进，减少了电能消耗。这增加了电动汽车的续航里程，或者说，可以根据车辆类型和应用优化电池容量以节省成本。

02碳化硅芯片正在占领市场

尽管有众多优势，但目前并非所有电动汽车都配备碳化硅芯片。其中一个原因是碳化硅半导体比相应的硅元件更昂贵。碳化硅晶锭的生产需要极高的温度——约3600华氏度（约1982摄氏度）——并且在原材料变成芯片之前需要超过300个工艺步骤和十多个掩膜或结构层。因此，碳化硅的使用通常需要经过仔细的成本效益分析。

目前基于碳化硅技术的逆变器主要用于高性能车辆，在这些车辆中碳化硅的优势最为明显，特别是基于800伏技术的车辆应用中。随着产量的增加，碳化硅的成本最终将下降，使得该技术在更多车辆部件和车型中使用变得越来越有价值。

03为电动驾驶而设计

博世是碳化硅技术的早期采用者。公司于2001年开始开发首批碳化硅半导体，并在2011年推出了首款MOSFET原型。从一开始，博世的半导体开发就针对汽车行业的需求量身定制。车用半导体与其他应用半导体相比面临完全不同的条件。例如，汽车所经历的温度波动对电子元件造成了重大压力。此外，博世还必须应对更高的质量要求。考虑到汽车的使用周期较长，半导体器件的寿命必须能够与整车寿命相匹配。博世的芯片设计反映了这些需求。

沟槽MOSFET的栅氧化物设计是一个典例。博世为碳化硅芯片开发了自己的制造工艺，适应了博世自有的沟槽蚀刻技术。该工艺通常在行业内被称为“博世工艺”，最初于1994年为MEMS传感器开发。它能够将高精度的垂直结构蚀刻到晶圆材料中。与传统的平面结构不同，栅极是垂直的。绝缘氧化物不仅覆盖芯片表面，还深入其中。这种结构确保了更高的功率密度，同时保证了较长的使用寿命。这一点尤为重要，由于该元件将在车辆中长时间持续承受高电压，其可靠性至关重要。

汽车行业是推动碳化硅技术发展的关键参与者。随着时间的推移和生产量的增加，行业将实现规模经济，从而降低成本，未来碳化硅的应用市场广阔。博世作为碳化硅技术的先锋，始终追求卓越，专注技术创新，致力于推动电动出行的发展。