SiC（碳化硅）元件推動(dòng)電動(dòng)車新走向

一直以來，“里程焦慮”、“充電緩慢”都是卡住新能源汽車脖子的關(guān)鍵問題，是車企和車主共同的焦慮；

但隨著高壓電氣技術(shù)的不斷進(jìn)步和快充時(shí)代的到來，將SiC(碳化硅）一詞推向了市場(chǎng)的風(fēng)口浪尖。

繼2019年4月保時(shí)捷Taycan Turbo S 全球首發(fā)三年后，800V高壓超充終于開始了普及。相比于400V，800V帶來了更高的功效，大幅提升功率，實(shí)現(xiàn)了15分鐘的快充補(bǔ)能。

而構(gòu)建800V超充平臺(tái)的靈魂就是材料的革新，基于碳化硅的新型控制器，便引領(lǐng)著這一輪高壓技術(shù)的革命。

小鵬發(fā)布的800V高壓SiC平臺(tái)

Si（硅）早已是大多數(shù)電子應(yīng)用中的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料，但與SiC（碳化硅）相比，則顯得效率低下：

根據(jù)半導(dǎo)體材料的區(qū)別，行業(yè)內(nèi)通常可以將半導(dǎo)體分為三代：

第一代半導(dǎo)體材料大部分為目前廣泛使用的高純度硅；第二代化合物半導(dǎo)體材料包括砷化鎵、磷化銦；第三代化合物半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表。

SiC（碳化硅）是一種由Si（硅）和C（碳）構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。

不僅絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，帶隙是Si的3倍，而且在器件制作時(shí)可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的p型、n型，所以被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料。

SiC（碳化硅）中存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同；用于功率器件制作，4H-SiC最為合適。

圖片來自：IEEE

是什么讓SiC（碳化硅）引領(lǐng)著這一輪高壓技術(shù)的革命？

主要是因?yàn)椋篠iC（碳化硅）擁有更高的臨界雪崩擊穿場(chǎng)強(qiáng)、更大的導(dǎo)熱系數(shù)和更寬的禁帶。

SiC（碳化硅）具有3電子伏特（eV）的寬禁帶，可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高；而導(dǎo)熱系數(shù)越大，電流密度就越高。

它的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍：因此與Si器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V～數(shù)千V的高耐壓功率器件。

高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。

圖片來自Yole2016

特別是：在理論上，相同耐壓的器件SiC（碳化硅）單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300：

而Si材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管）等少數(shù)載流子器件（雙極型器件）；但是卻存在開關(guān)損耗大 的問題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會(huì)限制IGBT的高頻驅(qū)動(dòng)。

SiC（碳化硅）材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件（肖特基勢(shì)壘二極管和MOSFET）去實(shí)現(xiàn)高耐壓，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn) "高耐壓"、"低導(dǎo)通電阻"、"高頻" 這三個(gè)特性。

另外，帶隙較寬，是Si的3倍，因此SiC（碳化硅）功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。

在SiC（碳化硅）強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)下，其也終于迎來“輝煌時(shí)代”：

據(jù)最近Yole給出的數(shù)據(jù)顯示：SiC（碳化硅）元件將從2021年10.9億美元成長(zhǎng)到2027年63億美元，年復(fù)合成長(zhǎng)率達(dá)到34%。

無論是當(dāng)代的新勢(shì)力車企代表特斯拉還是傳統(tǒng)車企代表通用汽車，它們?cè)?020年和2021年有多款新發(fā)布的電動(dòng)車都在變壓器上采用SiC（碳化硅）元件：

根據(jù)Yole調(diào)查：特斯拉創(chuàng)紀(jì)錄的出貨量幫助SiC（碳化硅）元件在2021年超越10億美元銷售額的關(guān)卡。

如今通用汽車和特斯拉等汽車制造商正加大投資，讓采用SiC（碳化硅）元件的電動(dòng)車在充電后，能行駛更遠(yuǎn)，并且電池耗盡時(shí)，也可更快地充電。

簡(jiǎn)單來說，SiC（碳化硅）元件正在推動(dòng)電動(dòng)車走向未來：

SiC（碳化硅）元件正在爭(zhēng)奪電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)核心的80%左右的功率電子裝置，包括將儲(chǔ)存在汽車電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為車輛電動(dòng)馬達(dá)所需的交流電之主牽引逆變器（Main Traction Inverter）；SiC晶片還在電動(dòng)車其他部分爭(zhēng)取地位，例如車載充電器和直流-直流轉(zhuǎn)換器。

Yole認(rèn)為為了滿足長(zhǎng)續(xù)航里程的需求，800V電動(dòng)車是實(shí)現(xiàn)快速直流充電的解決方案，這就是1200V SiC元件可以發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。

從中國這個(gè)全球最大的電動(dòng)汽車市場(chǎng)來看，上汽、廣汽等車企已經(jīng)開始布局碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈，這為國內(nèi)供應(yīng)商創(chuàng)造了寶貴的發(fā)展機(jī)遇：

特別是，截至目前為止，比亞迪的Han-EV通過提供快速充電獲得了不錯(cuò)的銷售量。

因?yàn)檫@一刺激，2022年將有更多汽車制造商（例如：蔚來汽車、小鵬汽車等）采用SiC元件于電動(dòng)車上并推向市場(chǎng)。

但與其它領(lǐng)域相同，新技術(shù)在誕生初期，都面臨著成本過高的問題：

但是可以確定的是：現(xiàn)在的碳化硅就像過去光伏領(lǐng)域的HJT電池、氫能領(lǐng)域的膜電極、動(dòng)力電池領(lǐng)域的固態(tài)電池一樣，有著比較大的降本空間。

伴隨著技術(shù)的進(jìn)步、規(guī)模效應(yīng)和產(chǎn)品良率的提升，SiC（碳化硅）也必然會(huì)憑借其優(yōu)異的性能被更廣大的下游客戶所接受。

編輯：黃飛

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