让碳化硅上车 宽禁带半导体成电驱动发展突破点

上海电驱动股份有限公司作为国内首家搭载超100万辆纯电动汽车的电驱动企业，从2008年就开始涉足这一领域。从分体式电驱动产品和三合一技术突破，到宽带隙半导体的应用实践，上海电驱动始终走在技术前沿，并联电驱动产业发展趋势一直是一路向前。

上海电驱动股份有限公司电控研究院院长陈雷表示，目前电驱动系统已经发展到相对成熟的阶段，但在新能源汽车发展的大形势下，新的需求也在为电驱动系统指明新的发展方向。

图片来源:上海电驱陈雷

需求导向的新材料成为电驱动系统发展的突破点

具体来说，对驾驶体验的追求导致对高扭矩/高加速性能的需求，这就要求电驱动系统增加电流密度，提高动态响应性能；对续航和快充的追求，导致电动车行业高压话题不断。与硅基IGBT相比，碳化硅等宽带隙半导体更有可能突破。

驾驶和充电安全的需求导致对电池寿命和功能稳定性的控制；低噪声环境的要求导致了NVH的提高...从微观用户体验可以发现，目前IGBT市场已经成熟，电驱动系统仍有很大的发展空间。

如何满足这些需求，如何在这些领域实现技术突破，创造新的经济增长点？这是车企和供应商都在考虑的问题。

在陈雷看来，把整个电力驱动系统拆开来看，半导体是最先进的单个元件，它的作用非常关键。半导体的选择很可能会影响这些需求的实现。

目前市场上的半导体材料有三代，分别是以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代(元素)半导体，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代(二元/三元化合物)半导体。和陈雷推出的第三代半导体。

第三代半导体又称宽带隙半导体，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)为代表。具有高频、大功率、高抗辐射、光电性能优异等特点，适合制造电力电子、微波射频、光电子等元器件，符合以新能源汽车为代表的电动化、智能化趋势。

值得注意的是，“十四五”国家重点R&D计划于2021年开始实施“新型显示与战略电子材料”重点项目，第三代半导体位列其中。

电力半导体，专门处理电力驱动中的大功率电压和电流，从损耗、封装、可靠性三个方面影响整车的续航能力、电机的轻量化和电机的寿命。

图片来源:上海电驱陈雷

陈雷以碳化硅为例，从三个方面阐述了宽带隙半导体应用带来的变化。

上车和上Si IGBT碳化硅有什么区别？

从损耗的角度来看，功率半导体的损耗直接决定了电机控制器的效率，从而影响电池容量进而决定电池寿命。

电力设备运行中有两种损耗。一个是通态损耗。当功率器件正向导通时，通过功率器件的正向压降和正向电流的乘积称为通态损耗。

另一种叫做开关损耗。不考虑频率和速度，电流和电压的变化总会在开关过程中产生损耗，这种损耗也可以分为导通损耗和关断损耗。

图片来源:上海电驱陈雷

在通态损耗方面，与Si IGBT相比，碳化硅在相同封装下会有一定的优势。主要原因在于碳化硅器件的电阻特性，而IGBT是双极型器件。双极器件的电压为VCE0，但电阻特性没有这样的压降。

由于VCE0电压的存在，在小电流的情况下，IGBT器件的压降更大，碳化硅更小，损耗相对更低。碳化硅和类似规格的硅IGBT相比，大电流时通态压降相差20%-30%，小电流时对应的损耗会相差数倍。

就开关损耗而言，碳化硅的优势在于开关速度更快，也就意味着开关损耗相应降低。

一般来说，对于1200V的碳化硅，开关时电压和电流变化的时间在100-200nm之间，而对于1200V的硅，时间在300-400nm之间。

就封装而言，半导体的大小和散热冷却的形式会直接影响电机控制器的功率密度，进而影响整车的轻量化和架构。

目前市面上有各种封装:从全合一全桥形式到半桥形式；果冻胶带到塑料包装；也有单面或双面散热封装。

根据功率器件的特性进行封装，目前市场上仍然流行基于400V的低功耗封装模式。但从未来高压的趋势来看，未来封装的散热、电感、批量应用、兼容性都会有很大的提升。

和可靠性。芯片本身和封装的可靠性非常重要。传统的硅IGBT使用铝线可以满足功率循环的要求，但为了增强电流密度，过流能力更强、发热量更小的铜可以降低温度，从而增加功率循环次数。

最后，碳化硅焊接层的应用。与硅相比，碳化硅的热膨胀系数更大，导致器件边缘的热应力更大。随着使用时间的延长，在通电循环的过程中会出现分层，甚至在焊料上出现空洞。这些空洞的直接结果是热阻增加，导热系数降低，散热恶化。

这个问题在现在的技术进步中已经解决了。目前使用的银浆烧结工艺与传统焊料焊接相比，具有数倍的功率循环寿命，能承受更高的工作温度。

帮助碳化硅上车。上海电驱布局六年

2016年，上海电驱开始基于商用车做碳化硅控制器样品。两年后，研发步入基于双面散热的碳化硅控制器开发，并在乘用车和商用车上得到验证。陈雷表示，虽然这一时期的发展速度很快，但整体效率提升并不明显。

2020年开始，基于量产的碳化硅控制器研发将于2023年在SOP中进行。同时，陈雷表示，800V平台上功率更高的S基碳化硅控制器也适用于里程更高的商用车，有助于节约用电，提高经济效益。

碳化硅器件将首先应用于相对高端的车辆，尤其是800V平台的车辆，这几乎是业界共识。

一方面，基于充电更快的考虑，使用碳化硅器件后开关损耗和导通损耗会降低。在相同的开发效率下，应用于800V系统时，功率器件的开关损耗会降低更多，有助于提高系统效率。

另一方面，碳化硅没有达到规模化产能，这也是其没有在市场上得到广泛应用的主要原因。原料达到规模化产能后，产量增加，产品单价降低，从而获得市场优势。据陈雷介绍，量化产量和用途后，碳化硅可能会获得一定的成本优势。也许可以用在a级或者更小的车上。

考虑到上海电驱对碳化硅的具体研发，这类材料的实际应用还存在一定的技术挑战。

图片来源:上海电驱陈雷

碳化硅上车有多难？技术问题仍有待解决。

首先是EMC(电磁兼容性)性能。在高开关速度下，dv/dt和di/dt较高，容易产生电磁干扰。经过多年的技术发展，电磁兼容对硅IGBT来说已经不再困难，但是必须重新考虑多级滤波器的设计，以开发新的碳化硅材料。

可靠性的问题不容忽视。陈雷说，使用碳化硅器件的数量和实际使用碳化硅器件的时间都不够长，所以要格外注意碳化硅器件的可靠性。

目前硅基IGBT的发展已经比较成熟，一般耐压可以达到正负20 V的水平，但是碳化硅在耐压部分会遇到挑战，尤其是负压部分，可能只能承受负6V-负10V的电压。

此外，与硅材料不同，碳化硅器件的应用还会带来功率循环和温度循环的挑战……想要创新，必然会遇到门槛。一般来说，宽带隙半导体是需求导向、技术先行的典型。在新能源和智能化的发展趋势下，像上电驱动这样的企业有必要在相对成熟的硅IGBT产业中，勇于尝试，积极进取，寻找新的技术突破口，创造经济增长点。

但不容忽视的是，帮助碳化硅上车，最大限度发挥新材料的性能，需要系统的、长期的努力。只有上下游并行发展，新材料才能进入市场，进而推动行业创新。

(以上内容来自上海电驱动股份有限公司电控研究院院长陈雷在2022年6月24日由盖世汽车主办的2022中国汽车电驱动及关键技术云论坛上发表的《宽带隙半导体在电机控制器中的应用》主题演讲。)作为国内第一家搭载超100万辆纯电动汽车的电驱动企业，上海电驱动股份有限公司从2008年就开始涉足这一领域。从分体式电驱动产品和三合一技术突破，到宽带隙半导体的应用实践，上海电驱动始终走在技术前沿，并联电驱动产业发展趋势一直是一路向前。

上海电驱动股份有限公司电控研究院院长陈雷表示，目前电驱动系统已经发展到相对成熟的阶段，但在新能源汽车发展的大形势下，新的需求也在为电驱动系统指明新的发展方向。

图片来源:上海电驱陈雷

需求导向的新材料成为电驱动系统发展的突破点

具体来说，对驾驶体验的追求导致对高扭矩/高加速性能的需求，这就要求电驱动系统增加电流密度，提高动态响应性能；对续航和快充的追求，导致电动车行业高压话题不断。与硅基IGBT相比，碳化硅等宽带隙半导体更有可能突破。

驾驶和充电安全的需求导致对电池寿命和功能稳定性的控制；低噪声环境的要求导致了NVH的提高...从微观用户体验可以发现，目前IGBT市场已经成熟，电驱动系统仍有很大的发展空间。

如何满足这些需求，如何在这些领域实现技术突破，创造新的经济增长点？这是车企和供应商都在考虑的问题。

在陈雷看来，把整个电力驱动系统拆开来看，半导体是最先进的单个元件，它的作用非常关键。半导体的选择很可能会影响这些需求的实现。

目前市场上的半导体材料有三代，分别是以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代(元素)半导体，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代(二元/三元化合物)半导体。和陈雷推出的第三代半导体。

第三代半导体又称宽带隙半导体，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)为代表。具有高频、大功率、高抗辐射、光电性能优异等特点，适合制造电力电子、微波射频、光电子等元器件，符合以新能源汽车为代表的电动化、智能化趋势。

值得注意的是，“十四五”国家重点R&D计划于2021年开始实施“新型显示与战略电子材料”重点项目，第三代半导体位列其中。

电力半导体，专门处理电力驱动中的大功率电压和电流，从损耗、封装、可靠性三个方面影响整车的续航能力、电机的轻量化和电机的寿命。

图片来源:上海电驱陈雷

陈雷以碳化硅为例，从三个方面阐述了宽带隙半导体应用带来的变化。

上车和上Si IGBT碳化硅有什么区别？

从损耗的角度来看，功率半导体的损耗直接决定了电机控制器的效率，从而影响电池容量进而决定电池寿命。

电力设备运行中有两种损耗。一个是通态损耗。当功率器件正向导通时，通过功率器件的正向压降和正向电流的乘积称为通态损耗。

另一种叫做开关损耗。不考虑频率和速度，电流和电压的变化总会在开关过程中产生损耗，这种损耗也可以分为导通损耗和关断损耗。

图片来源:上海电驱陈雷

在通态损耗方面，与Si IGBT相比，碳化硅在相同封装下会有一定的优势。主要原因在于碳化硅器件的电阻特性，而IGBT是双极型器件。双极器件的电压为VCE0，但电阻特性没有这样的压降。

由于VCE0电压的存在，在小电流的情况下，IGBT器件的压降更大，碳化硅更小，损耗相对更低。碳化硅和类似规格的硅IGBT相比，大电流时通态压降相差20%-30%，小电流时对应的损耗会相差数倍。

就开关损耗而言，碳化硅的优势在于开关速度更快，也就意味着开关损耗相应降低。

一般来说，对于1200V的碳化硅，开关时电压和电流变化的时间在100-200nm之间，而对于1200V的硅，时间在300-400nm之间。

就封装而言，半导体的大小和散热冷却的形式会直接影响电机控制器的功率密度，进而影响整车的轻量化和架构。

目前市面上有各种封装:从全合一全桥形式到半桥形式；果冻胶带到塑料包装；也有单面或双面散热封装。

根据功率器件的特性进行封装，目前市场上仍然流行基于400V的低功耗封装模式。但从未来高压的趋势来看，未来封装的散热、电感、批量应用、兼容性都会有很大的提升。

和可靠性。芯片本身和封装的可靠性非常重要。传统的硅IGBT使用铝线可以满足功率循环的要求，但为了增强电流密度，过流能力更强、发热量更小的铜可以降低温度，从而增加功率循环次数。

最后，碳化硅焊接层的应用。与硅相比，碳化硅的热膨胀系数更大，导致器件边缘的热应力更大。随着使用时间的延长，在通电循环的过程中会出现分层，甚至在焊料上出现空洞。这些空洞的直接结果是热阻增加，导热系数降低，散热恶化。

这个问题在现在的技术进步中已经解决了。目前使用的银浆烧结工艺与传统焊料焊接相比，具有数倍的功率循环寿命，能承受更高的工作温度。

帮助碳化硅上车。上海电驱布局六年

2016年，上海电驱开始基于商用车做碳化硅控制器样品。两年后，研发步入基于双面散热的碳化硅控制器开发，并在乘用车和商用车上得到验证。陈雷表示，虽然这一时期的发展速度很快，但整体效率提升并不明显。

2020年开始，基于量产的碳化硅控制器研发将于2023年在SOP中进行。同时，陈雷表示，800V平台上功率更高的S基碳化硅控制器也适用于里程更高的商用车，有助于节约用电，提高经济效益。

碳化硅器件将首先应用于相对高端的车辆，尤其是800V平台的车辆，这几乎是业界共识。

一方面，基于充电更快的考虑，使用碳化硅器件后开关损耗和导通损耗会降低。在相同的开发效率下，应用于800V系统时，功率器件的开关损耗会降低更多，有助于提高系统效率。

另一方面，碳化硅没有达到规模化产能，这也是其没有在市场上得到广泛应用的主要原因。原料达到规模化产能后，产量增加，产品单价降低，从而获得市场优势。据陈雷介绍，量化产量和用途后，碳化硅可能会获得一定的成本优势。也许可以用在a级或者更小的车上。

考虑到上海电驱对碳化硅的具体研发，这类材料的实际应用还存在一定的技术挑战。

图片来源:上海电驱陈雷

碳化硅上车有多难？技术问题仍有待解决。

首先是EMC(电磁兼容性)性能。在高开关速度下，dv/dt和di/dt较高，容易产生电磁干扰。经过多年的技术发展，电磁兼容对硅IGBT来说已经不再困难，但是必须重新考虑多级滤波器的设计，以开发新的碳化硅材料。

可靠性的问题不容忽视。陈雷说，使用碳化硅器件的数量和实际使用碳化硅器件的时间都不够长，所以要格外注意碳化硅器件的可靠性。

目前硅基IGBT的发展已经比较成熟，一般耐压可以达到正负20 V的水平，但是碳化硅在耐压部分会遇到挑战，尤其是负压部分，可能只能承受负6V-负10V的电压。

此外，与硅材料不同，碳化硅器件的应用还会带来功率循环和温度循环的挑战……想要创新，必然会遇到门槛。一般来说，宽带隙半导体是需求导向、技术先行的典型。在新能源和智能化的发展趋势下，像上电驱动这样的企业有必要在相对成熟的硅IGBT产业中，勇于尝试，积极进取，寻找新的技术突破口，创造经济增长点。

但不容忽视的是，帮助碳化硅上车，最大限度发挥新材料的性能，需要系统的、长期的努力。只有上下游并行发展，新材料才能进入市场，进而推动行业创新。

(以上内容来自上海电驱动股份有限公司电控研究院院长陈雷在2022年6月24日由盖世汽车主办的2022中国汽车电驱动及关键技术云论坛上发表的《宽带隙半导体在电机控制器中的应用》主题演讲。)

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