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本文是根据8月8-9日在青岛举办的第十四届国际汽车变速器及驱动技术研讨会（TMC）现场聆听材料整理而成。 总目录 第1章 电驱动系统技术发展趋势概述 第2章 驱动电机 第3章 减速器和多挡箱 第4章 逆变器和碳化硅 第5章 电驱动总成 第6章 混合动力 第7章 商用车电驱动 第8章 电驱桥和轮毂电机 4.1 车用SiC功率器件概述 4.2 车规级SiC的技术要求 4.3 SiC的优势 4.4 SiC功率器件要攻克的技术难关 4.5 SiC产业化面临的问题 4.6 SiC封装方面面临的挑战 4.7 中车SiC 4.8 博世SiC 4.9 纬湃科技SiC 4.10 丹佛斯SiC 4.11 安森美SiC 4.12 忱芯科技SiC 4.13 上汽捷能SiC 4.14 Yole SiC 4.1车用SiC功率器件概述 美国能源部制定的目标是要将电机驱动控制器的功率密度提高到100千瓦/升，而我们的“十四五”重点研发计划也将这一指标提高到100千瓦/升。 为了实现这一目标，世界各国的研究者纷纷把目光集中到碳化硅等新一代的半导体器件。跟传统的器件相比它的导通电阻小，可高温工作，现有的工作温度可以高达200-250度。它的开关速度比传统的硅器件要快三到五倍左右。 硅基的器件由于它本身的特性，无论功率还是电压，覆盖面是最广的，同时由于它的技术成熟度、商业成熟度，性价比是比较高的，所以在长时间还会占据比较主流的位置。碳化硅具有比较高的抗压频率，中高压功率也比较大，氮化镓更加适用的是低压、超高频的应用场景，笔记本电脑的充电插头很多已经采用到了氮化镓的器件。 碳化硅作为第三代半导体，有四大优势：高禁带宽度、高电场强度、高电子饱和速率、高导热系数。 当前的硅基IGBT目前在600V以上，以及更高的电压场合，它的性能已经逼近极限。为了提升在高压高功率下的器件性能，第三代半导体就成为一个理想的替代品。 汽车是一个空间受限，同时相对温度和散热比较难处理，又高温、高湿、高热量这些场景，对电子器件就会带来高功率密度、耐高温，这样的诉求，刚好落在了碳化硅先天性比较适用的领域，所以这也是为什么碳化硅在汽车领域越来越多被采用的原因。在主驱上大家核心的痛点就是在于续航里程、更高的功率密度，碳化硅可以解决当下电池成本高的问题，采用碳化硅能够有效提高续航里程。 英飞凌预测到2025年碳化硅的占比会超过32%，目前以国内整个形势来看，国内的碳化硅步伐可能走得更快一些。 但它良好的性能与它的价格是几乎成正比的，无论是分类器件还是功率模块，碳化硅本身的成本是相当昂贵的，这导致进行简单的替换是无法直接形成产品成本优势的。必须通过系统的配合来充分发挥碳化硅器件的性能，才能实现整体成本的降低。 现在碳化硅已经纷纷上车量产，具体例子比如像特斯拉、比亚迪汉还有一些造车新势力的新车型都采用碳化硅器件。相对都是比较高端的车型容易实现，原因还是成本价格相对昂贵。 4.2车规级SiC的技术要求 目前行业里为了快充要做800V，做800V以后不做碳化硅效率不行，碳化硅成本很高，所以他还需要有一些题材，所以就把800V做出1000公里了，所以现在的一个常用的组合就是“800V碳化硅千公里”。 如果用同样大小的电池包的体积要做更长的续驶里程，那必然就要用高功率密度电池，电池又是一个新物种，也不是很成熟，成本也非常高，实际上如果真做这么一个车，这个车的成本比正常的要至少高10万块钱。 从这个角度来看，虽然大家都在做碳化硅，如果达到20%以上的渗透率必然要做出非常强大的性价比才行，一定是要把碳化硅这个技术所带来的成本增加，所带来的负面影响要尽可能的从系统角度去弥补回来。也就是把效率提高，把电池省一省，把功率密度提高，频率提高，把NVH这些东西弄好一点，电驱动的效率好一点，体积小一点，从各方面把这个成本找回来，最后还是看性价比是不是能够达标，因为企业最终都是要挣钱的。 电动汽车大家核心关注的三个点，第一，长的续航里程，第二，更高的功率密度，更小的体积，第三，综合的性价比。抛开第三个性价比，其它两点都会比较难落地。混动车更多会聚焦在IGBT上，因为整个功率密度和成本要求会更高一些。对于装配电池量比较高的，尤其超过50度或者70度电的高端电动车来讲，通常会在长期工作的主轴上采用碳化硅。急加速或者不是通常用的辅驱的轴上采用IGBT。 基于英飞凌自己的双面水冷IGBT以及双面水冷的碳化硅，我们做了一个在WLTP工况下的仿真跟实测的比对分析。结果是基于碳化硅的技术，在整个工况下可以达到75%的导通损耗降低，大于60%的开关损耗降低，整个损耗会降低60%以上。 英飞凌针对400V以及800V的系统做了WLTP工况下的一些仿真分析，400V的系统下采用碳化硅的产品可以让续航里程提升大概4%-5%，750V的IGBT本身基础底子比较好。1200V的系统，因为IGBT本身在高压下它的底子没有750V那么好，所以它的基线会往后拉一些，800V看起来更可观一些。整体来看，1200V走到高压化对整个系统的提升还是会稍微高一些。 4.3 SiC的优势 碳化硅没有门槛电压，在小电流阶段的时候，它低损耗的优势就会比较明显。电动汽车大部分应用实际上是一个比较小的功率，所以它跟整车应用的匹配程度还是非常好的。碳化硅器件在常温和高温下，开关特性的差异是非常小的，这也是它比较大的一个优点。 碳化硅的优点从模块层面能够带来更高的效率、更低的损耗。以新能源汽车为例，可以实现更低的电驱动损耗，可以提高续航里程，或者相同的续航里程可以节省电池、降低成本。 碳化硅核心的两个优势。第一是开关损耗，尤其在800V上，碳化硅由于它更快的开关速度以及反向恢复的这些特性等等，它的开关损耗是远远好于IGBT的，尤其在高压800V的运用上。另外一个就是导通损耗。碳化硅并不是在每一个领域或者每一个电流的点下它都是优于IGBT的。 为什么辅驱急加速的应用可能IGBT选择更多？其实就是IGBT跟碳化硅在损耗上会有一个拐点。比较巧的是，电动汽车跟其它的应用又不太一样，比如说其它应用长时间工作在一个很大的电流上，可能碳化硅不一定带来那么多的节省。那在电动汽车的应用上，比如一个400V典型的工况，大概95%的时间上小于100A电流的需求。比如超过300A是75%的额定电流情况下大概只有1%。这种情况下碳化硅的导通损耗的优势就非常明显。 400V系统用碳化硅损耗的降低带来的续航里程大概只能提升5%，但是到1200V的时候可能提高到10%以上，这带来的整个收益，不管是将来电池成本的降低，或者是还有其他的一些附加成本，像电缆、金属材料重量的降低，综合下来来讲性能这块的优势，至少在1200V的平台他的优势还是比较明显的。 博格华纳SiC仿真下来，850V的情况下，65度的水温，可以输出480A的峰值电流。 从400V的硅基、800V的硅基、400V的碳化硅和800V的碳化硅，单模块IGBT一般是以500A左右，单模块的能力就到极限了。后续如果需要更大的电流，一般通过双模块并联来做。800V的IGBT，目前因为IGBT很多是作为辅驱，通常现在用得比较多的还是以单模块为主的800V IGBT系列。 IGBT和碳化硅，都是1200V的系列，同样的条件，我们仿真了电压在660V情况下的逆变器效率。这边是99%的效率，对于速度其实是将近6000转、7000转左右，对比IGBT都是在97%、98%左右了。我也非常赞同后续大力推广碳化硅，完善整个功率谱图对发展是非常有意义的。 碳化硅这个材料本身的硬度比硅要硬很多，SiC的抗功率循环的能力，用同样的硅和碳化硅比寿命会下降一半，将来碳化硅要发挥性能，还要工作在更高的结温，在这种情况下，像碳化硅器件封装的可靠性至少要达到硅基器件这块要求的4—6倍，才有可能能够满足整个碳化硅应用的需求，所以对整个封装带来的挑战和压力还是比较大的。 4.4 SiC功率器件要攻克的技术难关 对于功率模块设计来讲，碳化硅器件本身要突破三点。首先是突破高温限制，达到200度稳定运行。第二，解决高速开关易受干扰，实现高速门级驱动，降低芯片之间的互联阻抗。第三就是散热过于集中，采用高效散热方法，最终可以提高它的功率密度。 我们追求目标是更高效率、更小体积、更轻重量以及更低的成本，根据这几方面进行有效的设计还是很困难的，需要进行有效的评估方法。前期那种人工设计的方法很难在短期内对多部件的设计达到平衡，迫切需要自动优化的方法。前期自动优化方法多采用公式法，也就是一些经典的公式进行计算，这些公式它的特点就是速度非常快，但是它的缺点就是有效性比较差，另外可以忽略较多的实际设计，并且它的精度也比较低，因此经常结果跟我们想要的目标相差较远。 为了实现进一步的优化，基于刚才功率模块的设计方法，控制器系统自动优化也分为这么几部分，这几部分有效地结合起来。对于部件的连接，因为我们是三维的，那我们就要实现三维有效的自动排布方法，对于元件，首先是它的建模。并且不像二维的，我们要在三维里面有效保留更复杂的互联信息。排布完之后依然是互联的部分，设计进一步复杂化了，实现起来首先是把它拆成相对较为容易的建模方案，我们建模方案其实还是采用长方体、正方体的方式。根据这个方法进一步连接的端子，在建模过程中把有效的建模信息放好，这是一个有效的连接部分。 整个器件层面，像它的频率、效率提升，难度也比较大，而且碳化硅在应用和可靠性，包括成本的折衷上面也面临一个挑战。具体像高压模块的功率密度，这个从芯片层面，我们怎么从芯片层面上把损耗这块做到最优的选择，这样对整个器件相当于要去不断地降低损耗。 在结温这个层面上来讲，因为碳化硅跟硅比有非常多的优点，目前很多高结温耐受，包括高的电子迁移率等很多优点来说，最先用到的就是耐受结温。我们一旦把结温提上去，就切实会带来效率的提升，包括体积、成本的下降。可靠性这块它是包含着很多维度的，一个是器件的RBSOA，封装这块带来的挑战，还有就是整个碳化硅的成本，因为碳化硅目前来讲还是非常贵的，这个技术伴随着后面大批量的应用，后续成本也会快速下降。 纬湃科技在2016年就将功率模块里面的硅基二极管替换成碳化硅的二极管，这个目的主要是当时研究碳化硅应用的制造工艺，是看碳化硅和芯片的焊接技术研究。后来到2018年-2019年，推出了第二代，用的是碳化硅的400V系统。 纬湃科技已经着手嵌入PCB管的碳化硅模块。随着碳化硅器件性能的不断提高，直接将碳化硅器件嵌入到电路板是可行的，目前我们已经开始布局这方面的研究，已经有样品出来，这应该是在五六年之后能实现投产的一代产品。 突然之间就发现碳化硅的需求量变得很大，各个厂商都在推出自己800V产品时间计划的时候，因为半导体厂家的建设周期，扩产能大概需要2—3年，因为设备采购周期基本上就得1年半甚至两年以上，还要调线，再产能爬坡，，需要两到三年的过程。所以当时布局整个产能的时候没有预料到现在的硅、碳化硅的需求会出现这么大的爆发式增长。 因为碳化硅是在技术、良率、成本、可靠性，还是有很多不确定性的情况，这个时候又要产能扩张，半导体厂家需要对这个市场的预判必须非常准确清晰，比如芯片有平面的有沟槽的，如果这个技术的预判出现了问题，设备投下去以后不具备这个能力，将来别人出来的产品直接降维打击，前面的投入也是几十亿级别的，对于半导体厂家来说这几十个亿都是万分谨慎的。 4.5 SiC产业化面临的问题 不同的应用场景有不同适用的封装，如OBC、DC/DC上，以及小功率的30千瓦、50千瓦的，可能小功率的时候大家会采用分立的器件，但是功率稍微高一点，大家可能要集成化，综合安装成本低，要灵活度，这个可能就会带来不同封装的要求，不会有任何一个封装师说我就是完美的。英飞凌第一代的技术基本上我们是单管、晶圆，包括双面水冷。 首先要看应用碳化硅的一些难点，首先第一个问题就是碳化硅成本，目前碳化硅的控制器跟硅基控制器相比是2到3倍的成本差距。这里面有一个碳化硅的拆分，衬底目前差不多占了成本的一半，所以就导致整个碳化硅成本居高不下。碳化硅衬底价格每年都在降，最终可能到2030年，价格会进一步降低。随着碳化硅材料价格的下降，估计正式用的话大概在三到五年，碳化硅的价格会跟硅基的价格是持平的。 碳化硅还有一个应用的难点是封装难，主要原因在于碳化硅虽然是在航天和工业上一直用，对汽车来说也是一个新的材料。所以它要做封装的话，目前大部分都是借用硅基的封装模块来做的，针对碳化硅的封装目前还在开发当中。目前有两个方向，一个是功率化往大的方向走，就是模块化的，模块化的有半桥、全桥。还有一块是往单管方向走，搞单管器件并联的方案。 然后要做碳化硅控制器的话，要配套相关的电容。碳化硅控制器对电容也是有全新要求的，因为要发挥碳化硅相关的能力出来，一方面它的耐温，电容的耐温会有进一步的要求，但是现在用的硅基碳化硅的电容模块，主流都是纹波电容，纹波电容软化温度在170℃，最高使用温度目前是在110度，所以用它直接做碳化硅控制器的电容是不合适的。所以电容这一块肯定也是要做相应的方案优化以及升级。 还有就是碳化硅的驱动方面也是一个难点。因为现在驱动目前都是10kHz，碳化硅的频率更高，可以到20kHz，用在电源上频率更高。针对碳化硅驱动方面，要选用一些更高速的驱动芯片，在驱动电路方面也要做一些优化改进。 还有一个难点是关于碳化硅的EMC问题，因为碳化硅使用的是比较高的开关频率，很容易引起EMC的一些问题。所以针对碳化硅EMC的问题，我们推荐EMI去除设计方法，一个是降低器件的电流速率，通过使用高频的RC来实现。还有是降低环路的杂散电感。还有一个是要考虑滤波器来满足EMI的要求。 还有是关于结温估算的，因为现在硅基IGBT的结温估算已经比较成熟了，但是关于碳化硅的结温估算大部分还在做研究，我们是采用热网络法建立了碳化硅的热模型，通过仿真和试验实测对模型参数进行标定，实现对碳化硅结温的估算。这是我们的实测数据，目前大概估算跟实测温度大概相差20度以内，还要再不断的优化。最终目标把它控制在10度以内。 根据实测，碳化硅效率是很高的，碳化硅逆变器最高效率达到了99.6%，它的优势还是集中在中低负载，中低负载下的效率提升是非常明显的，大概提升5%到8%。 电驱动总成要解决的是高集成度，映射到半导体的供应商，其实就是解决好损耗的问题跟怎么散热的问题，也就是从芯片的层面要解决怎么样芯片更小，怎么接受温度更高的运行，怎么把更高的热散出去。整个半导体我们讲的就是一个平衡的过程，用外围散热的设备或者散热的点怎么综合做一个平衡。想要更低的杂散电感，想要更高的功率密度。其实所有好的点集成在一起的时候，不代表会有很好的性价比，所以其实本身半导体这种设计来讲是一个怎么能做平衡的过程。 不同的厂家，目前我们看到市面上的封装有间接水冷的，有直接水冷的等等，不同的厂家对于产线的投入现在是不一样的，尤其是在直接水冷的角度，相对来讲大家就是简单好用，集成度比较高。间接水冷，大家在散热，在整个系统的处理跟投入上要有更多的能耗去做，整体来讲完全取决于车厂跟自己路线的一些想法。 在未来的趋势里面基本上有几个大的点，到底是哪一种封装更好？可能大家未必能达成一致，但是在未来封装趋势上这几个大点基本上是可以达成一致的。比如说产品组合的易延展性，就是我们讲的系统。第二个是热性能的提升，怎么样提高散热，尤其在碳化硅的应用领域，表面的热集中的情况下怎么来处理。第三个，减少整个系统的杂生电感。比如本身它的杂生电感是在8.5，系统上我们也支持焊接的版本。 大家都知道传统的模块大家会采用磁环或者三合一的电流传感器，我们为了解决更好的功率密度的问题，大家可以选配英飞凌跟第三方合作的电流传感器的模块，可以极大的提升功率密度，在空间上节省8%的体积。 英飞凌双面水冷的碳化硅模块也会在2023年下半年开始面向公开的市场。采用英飞凌双面水冷的模块，采用比较高的氮化铝的基板，有比较好的散热。同时在上表面也采用了铜块的技术，可以让上表面处理大约40%的散热处理。上表面、下表面的散热也是非常关键，所以跟相同的单面模块来比，整个散热的优势大概提升40%左右。 4.6 SiC封装方面面临的挑战 关于碳化硅封装挑战以及未来的发展趋势，碳化硅要工作在175度结温甚至更高温度的封装挑战。假设65度水温的话，如果器件将来要工作在175度或者200度，它带来整个功率循环会变大很多，相当于要变大20度、30度甚至更多，这个对于整个寿命的要求实际上是带来了比较大的挑战。 高温绝缘材料，像硅胶，工作在175度甚至更高结温时，它在长期的情况下的老化和退化，包括变质、变色，实际上已经不太适合我们向更高的温度去做一些研究，我们现在要么开发出更高耐受的绝缘性材料，要么采用一些封装上面的方案来解决更高的绝缘材料带来的挑战。 还有一个无焊料的体系。焊料对整个循环寿命来讲，这里面可能也会是它的一个短板。目前采用像铜线键合、银烧结连接实现高温高可靠性互连。还有就是像采用一些超声、激光，在同质的材料建立一些高质量的连接。还有像在芯片的表面，因为你没有办法让它们之间把金属材料跟芯片表面进行连接，所以我们需要做一些缓冲层，降低整个芯片表面的金属界面应力，这样它的整个循环能力这一块，因为这个方案相对于我们目前大部分的，像器件厂家来讲，它跟整个原来技术路线来说差别不会很大，首先工艺变得非常复杂，但是基本上技术路线还是一个比较相似的技术路线，所以这个地方，并且从整个寿命表现来讲，前面我们也做了一些研究探讨，基本上可以保证15倍甚至更高的寿命水平，这个地方是可以实现的。 第三个像芯片金属化的增强技术。这个芯片表现我们可以采用一些铜、镍这样的金属化材质，因为碳化硅的芯片功率密度更高，而且芯片的大小实际上更小，你在里面键合铝线，相对于铝线温度也会很高，它对整个芯片工艺重金属污染这块实际上会产生一些影响。 4.7中车SiC 目前中车现在做的碳化硅主要是有三种封装形式，第一种是600A/450A的全桥的封装模块，它里面芯片的数量非常多，而且大家知道像碳化硅本身材料级的缺陷，它跟硅比起来，从原料级的缺陷就非常多。在这里面芯片的数量又非常多，对客户来讲这种方案可能是一种界面比较友好，安装起来也是比较方便的，对系统结构设计来讲也比较简单的，但是成本带来的挑战还是比较大的。 第二种，平面的封装方式，这种跟全桥的相比在成本上是比较折衷的选择，跟单管比也需要有限的数量，少数几个基本上就可以满足我们的要求，它也是一种比较好的解决思路，中车也做了一些探索。第三，中车还做了3300V的XHP封装碳化硅模块，这个模块主要是面对轨道交通的应用，它对电压等级要求会更高。 中车对比了基于同样S3的封装形式，用现在的IGBT和碳化硅来对比，目前在额定功率的情况下采用碳化硅这种情况，它整个的损耗还是降低比较多的，因为它的开关损耗确实比硅有非常大的提升，大约可以节省54%的损耗，而且它整个对逆变器的效率这块也是有提升。在这种比较低功率的段，这个实际上反而是电动汽车应用最广阔的供应段，在这个效率的提升比刚才大效率的功率提升更明显，整个损耗基本上降低了接近71.7%。 基于平面的封装，主要是小型化和节省系统空间，包括采用银烧结配合铜线键合和直接水冷，实现低热阻封装，它实际上采用单面安装形式也可以达到比较好的效果。 针对这种平面封装，中车也做了一些小样的设计，整个做下来，整体的感觉就是在整个的功能上面都是没有什么太大问题的，但是它实际上对应用这块的挑战还是比全桥封装的挑战带来了更大的一些挑战，它对整个平整度来讲，包括在整个封装过程当中对工艺区块的平整度、位置度要求也是更高的。 4.8博世SiC 在汽车里广泛应用碳化硅功率器件，可以有效减少功耗，提高电流。碳化硅的带宽是硅基产品的三倍，热传导性也是它的三倍，在这个基础上它的功耗又只有它的1/10。之所以这么受欢迎，还是因为碳化硅本身产品的耐高温。 博世原来硅基产品典型的温度在150-175度，而碳化硅的产品可以达到200度。最后一个是更高的开关频率。在更高开关频率的作用下可以实现更高的功率密度。整体来看，如果在汽车上更多使用碳化硅的话，它能量的损耗可以减少50%，同时它的工作温度可以提高到200度，并且可以使外围器件电容使用更少，有利于提高它的功率密度。 随着碳化硅在车辆上的使用，如果说相同的里程，用碳化硅可以使用更小的电池；如果说电池容量一样，那它可以有更高的里程。同时碳化硅的使用有利于提高效率，减少整个散热系统的尺寸。在汽车上，如果碳化硅充分应用，基本上可以提升大概6%左右的里程。 碳化硅可以有更快的开关频率，这样可以减少功耗，反过来就是提高了能效。随着碳化硅在汽车上的广泛应用，大家原来使用的IGBT驱动要改变，所以我们碳化硅设计的时候，它的15V驱动或者18V驱动是可以兼容的。针对不同电压值，它的功耗损耗区别非常小，可以忽略。 所谓车规级的碳化硅产品，它的失效率都比较低，博世推的产品也都是车规级的，并没有工业类的。同时它的弱电流都比较低。这个其实是碳化硅材料本身固有的属性，耐高温。如果是碳化硅的裸片，在实际应用中它的结温目前来看可以达到200度。随着结温的提升，在相同的额定功率下模块尺寸可以更小，能够节约空间。 博世双沟槽型的碳化硅，是一个纵向的延伸，可以有效地缩小尺寸间距。同时博世的碳化硅是专门针对汽车应用的，是车规级的。双沟槽的技术也有利于电流密度的提升，尺寸间隙的减小。在相对同样的室温下，沟槽型的碳化硅产品在同样的面积下比传统平面型的碳化硅要小很多。针对于可靠性的优化也有利保证了碳化硅产品更高的性能。 4.9纬湃科技SiC 纬湃科技SiC用的是一个400V的系统，其实是为了和IGBT的400V系统做一个对比，所以采用了这样一个400V的碳化硅系统进行的研究。它的工作电压是250V-450V，最高电流是500A、240A，开关频率用的是10kHz，当然后面为了进一步优化碳化硅的效率，它是变频率的，是从6-20kHz。 纬湃科技是在整车上进行的研究，其中动力总成占整车损耗的25%，减速器是恒定的损耗，是6.9瓦时，IGBT逆变器是8瓦时。如果研究系统优化，主要就是为了提高系统的效率，从而一方面可以扩大续航里程，另外一方面也可以保持续航里程的前提下，可以节约电池。按照目前的电池电价来看，如果节约1瓦时相当于节约32欧元的价格。 纬湃科技首先只把逆变器里面的IGBT换成碳化硅元件，这时候就能降低开关损耗和导通损耗，就能减少4.5瓦时/公里，整车如果从电池成本上就能带来145欧元的成本节约。 如果把碳化硅的开关频率提高，就能看到在不同的开关频率下，6kHz和20kHz出来的纹波电流是不一样的，纹波电流越低可以降低电机的损耗。同时由于碳化硅的开关速度快，同时还可以在死区时间上面进一步优化，从原来的2微秒优化到1.2微秒，这样可以看到开关损耗也会有相应的降低，同时电机的损耗也会有相应的降低。 也对车辆使用不同工况进行了研究。其实能看出在提高碳化硅频率时它的开关损耗是升高的，但是同时碳化硅频率的提高、开关频率提高，电机的损耗是随着开关频率升高逐渐降低的。从6-16kHz这个区间碳化硅的频率升高，电机的损耗是有效降低的，但是在进一步提高的时候，特别是在低速和高扭矩的情况下，这时候电机的损耗其实并不是随着碳化硅开关频率升高而进一步降低，电机最低的损耗点是在前面14kHz的区域。这就说明了在不同的工况下，电机的最佳效率点是随着工况的变化而有所变化的。 基于前面的研究，把整个WLTP内部各个工况下的开关频率，在电机损耗最低的值找出来。这里面就有低频率状态下的电机损耗情况和高频率状态下电机损耗情况。这是在不同的转速和不同的扭矩情况下找出来最优化的开关频率。整个循环是536瓦时，这里面通过优化开关频率，能降低7瓦时再加上死区电压额外的2.4瓦时，一共降低是9.4瓦时。 最后得出这样一个结论，单纯使用碳化硅逆变器能够降低4.5瓦时/公里的功率消耗。如果用优化过后的开关频率，从逆变器端这边的功率损耗其实是升高了，但是从电机的角度是进一步降低了0.55瓦时/公里，这样在电机和逆变器综合起来，加上死区时间的优化，一共能优化0.4瓦时/公里的功率损耗降低。加上碳化硅逆变器的开关损耗和导通损耗的降低，这一共有4.9瓦时的损耗降低。折合的电池成本，这个也是一个相当可观的收益。 4.10丹佛斯SiC 碳化硅的芯片是非常贵的，模块贵不是做模块的厂商把钱赚走的，赚的都是血汗钱，钱大部分都让做芯片的赚去了。为了充分达到做模块的竞争力，封装厂要充分运用芯片的能力。要发挥芯片的能力就需要多学科的方法，包括材料科学、绑定连接工艺和创新散热设计。 丹佛斯为了应对此挑战提供了不同的选择方式。传统的焊接跟绑定的方式在长期的功率循环过程中容易出现绑定脱落、翘起这些问题。业内现在比较常见的串联式冷却方式也会给整个模块底板带来比较大的温度梯度。以及常见的框架式和硅胶注塑的封装形式一般来说很难达到很高的功率密度。其次这种封装形式对潮气、污染以及冲击会比较敏感。 丹佛斯提供的差异化的封装解决方案，包括了丹佛斯的DBB专利技术，同时还有消泡的水冷技术，这些技术可以快速提高模块的散热能力以及实现较高的功率密度和机械可靠性。 DBB技术就是将传统的焊锡焊接用铜绑定来代替。当时铜绑定还包括铜带的绑定。比如在750V的硅上面用的是铜带绑定，在碳化硅的芯片上面因为尺寸比较小，所以用的是铜线来绑定的。未来芯片的结温可能会进一步提高到250度，而客户实际应用中的冷却温度大概是在65度。 怎么来应对这个挑战？DBB通过银烧结的技术，把熔点从普通焊锡的220度提高到银烧结的960度。所以DBB技术可以说是未来碳化硅芯片应用的一个共识。 接下来是丹佛斯专利的直接水冷技术，它直接把多个并行的水道直接集成在底板上面。这些水道进行U型流动，产生涡流效应，这些涡流效应会引导着冷却液在前进方向上旋转，这样可以充分搅拌冷热液体，提高模块的散热性能，达到极低的热阻。 此外这种多水道并联的方式有利于减少模块的温度梯度。另外这种水道方式也可以给模块提供一个比较强的机械支撑，有利于模块承受冷却系统中出现的高压脉冲。它不仅可以实现单个模块的并行冷却，还可以实现三相模块之间的并行冷却，冷却液从左下角的进水口进入，以相同的距离流过三个模块，然后从右上角的出水口出来，这样每个模块的温度梯度都是一样的。 仿真的参数，母线电压是800V，开关频率10kHz，冷却液温度65度，系统水流量是10升。可以看到在达到模块的平均结温175度的时候，它有将近700A有效值的输出电流能力。在175度的结温限制下，在20kHz的开关频率下面，这款模块还有着616A有效值的输出电流能力。得益于碳化硅MOSFET极低的开关损耗，这时候它的开关损耗大概占整个模块损耗的50%左右。在30K开关频率下面，模块还有着540A有效值输输出电流能力，这时候开关损耗大概占总损耗的60%。 丹佛斯定制了一款特殊的开盖涂黑模块，让这个模块直接以逆变工况运行，母线电池电压到了835V，开关频率到10kHz，65度的水温，8升的水流量。逐渐提高控制器的输出电流，并且实时观测此时对应芯片的结温。每个开关是由8个芯片并联的，记录的是8个芯片里面最热的那个芯片的温度，在650A输出电流的时候，模块的最热芯片结温只有173度，而且8个芯片之间的温度分布是非常均匀的。 4.11安森美SiC 安森美碳化硅的Inverter power主要是集中在150-160千瓦这个等级。再往下基本是IGBT。未来2023-2024年推出来的汽车，后驱基本上都是碳化硅，但前驱可能还是由IGBT为主。目前120KW或者还是IGBT，基本上160KW到250KW都会切换到碳化硅，目前400V碳化硅也能带来5%以上效率的提升，所以400V系统还是有意义的。 安森美碳化硅是目前全球为数不多的几家公司能从衬底一直做到模块、到系统的公司，有些公司在衬底上非常优秀，但是模块不是那么优秀；有些公司模块做得不错，但是由于衬底上可能会有一些缺陷，那会导致未来的供应上会造成很大的问题。 碳化硅的模块跟以前硅的不太一样，因为硅相对来说是比较标准的市场，因为之前英飞凌推出来一个封装，变成了相应的标准，所有在硅里面都会用这个封装。但是到了碳化硅，发现有好有坏，好的一点在于现在的客户对于封装的接受度非常高，就是不在乎封装什么样，更在乎的是性能什么样、杂散电感怎么样、热度怎么样，这个角度封装变成了差异化的东西，所以这个对于国内的一些公司来说也是好事，因为相当于打开了一扇门，只要能做出来好的封装和好的产品，客户都能接受。现在各大车厂纷纷投资开发自己的模块，做自己的封装。 安森美主要做半桥的模块，可靠性上会增加它的功率密度，另外杂散电感上尽量降低，目前市场上2点几或者3点几nH已经是非常好的水平。还有一点，在TC上，基本上碳化硅都是175度，目前175度是持续工作电流，但是对于安森美来说，朝200度会更好一些。当温度能提到200度以后，这个对客户来说允许工作的电流再能够提高，所以200度也是非常大的门槛。不仅是晶圆，还有封装，还有材料等等全方位的一个挑战。 我们不能抛开Die去讲封装。其实前段时间有一个客户跟我们在抱怨他们用了一个模块，是某一家公司做的，这里面模块用的Die是另一家公司提供的，结果这个失效了。失效以后怎么办？他去找模块厂，当然模块厂还是要认，因为是他的产品。但是模块厂跟晶圆的提供方，两方其实就有点扯皮，这个时候就说不清。晶圆方说这个是你没有用好我的晶圆，把我这个搞坏了。模块厂说我设计没有问题，是你晶圆的问题。 所以晶圆是非常关键的，在模块里面晶圆的占比也很高，所以我们不能抛开晶圆单独去谈模块。尤其温度，当温度能提升到200度以上的时候，晶圆现有的条件，无论是测试标准、考核标准还有怎么样筛选的标准都会发生变化。 同时还有一个Edge termination。在高湿的情况下，芯片最外面这一圈影响到弱电流，还影响到耐压，之前做过一个试验，168个小时的时候这里就会腐蚀失效了。一个好的设计，特别是对Edge来说，至少保证5000个小时。 衬底其实可选得不是很多，目前两种，要么碳化硅要么氮化铝，基本上就这两种里面选。这个东西其实在小范围里可以用，因为它本身是有害的，在不同的温度下，我们必须在做模块的时候，在不同的温度下做好仿真，才能够确保我们的产品在高温的时候仍然能够符合要求。特别是有些变形的会导致晶片脱落失效。封装方面因为硅胶的方式温度高了以后基本上不太适合，而且它在可靠性上也不是很好。从转模的方式相对来说会好一些，可靠性比封装的好不少。 安森美现在里面用的是用银烧结，同时用的是氮化铝的，总体比之前大概降低10%，Die是用银烧结。这里能够200度是短期的工作，大概是几百个小时。首先Die是用银烧结，同时是用焊接的，这个用的高性能氮化铝，这个是跟之前的方案是一样的，是兼容的。 安森美900V已经有SSDC，1200V是2.6，这个是目前已经量产的。通过仿真，整个温度降低21%，效率提升5%，整个电流能力在450V提升29%，原来是500A，现在涨到763A。 4.12忱芯科技SiC 相比于传统的硅基半导体，SiC它整个电压电流都是数十倍的提升。这么高的电压电流变化率也对碳化硅的特性表征和整个驱动应用带来很大难点，包括它会带来一些非常严重的振荡。很多时候我们为了做很多开通关断的折中，我们会让它开得慢一点，减少一些干扰。很多时候虽然可以通过整个开通关断速度的降低减少挑战，但是这样其实并不能充分发挥碳化硅整个模块的价值和它的性能。碳化硅芯片贵，模块也贵，那考虑性价比怎么样能够充分和最大化地发挥碳化硅整个芯片模块的价值，这就牵扯到我们怎么样尽量最大化地驾驭碳化硅功率半导体整个芯片的模块特性。 虽然相比于传统硅基半导体，碳化硅开关速度是提升了五到十倍，所以整个开关频率也可以大幅提升，但是我们现在看到很多电驱动系统，它其实整个开关频率依然只有在10kHz左右，所以后面随着电机的高速化，齿轮箱和电流系统高速化，碳化硅功率模块都可以做很多工作，提升电驱系统的性能。 碳化硅整个芯片面积、晶圆面积相比传统的硅基半导体小了二到三倍，这样带来整个碳化硅短路承受时间也是大幅缩短的，相比传统的硅基模块有差不多10微秒，碳化硅差不多只有2-3微秒，所以它是大幅减少了。这样也需要更加快速的过热保护和短路保护，才能保证碳化硅电驱动系统的可靠性。 从碳化硅动态特性来讲，如果能够精准测试、可靠测试和全面测试就是它的难点。首先整个电压电路测试需要更高带宽和精度，传统那种粗放型的测试已经很难满足碳化硅这种高精准的要求了。碳化硅本身电压比较高，达到千伏的等级，在这么高的电压范围，这么大的电流范围，能够把它精准特性测准也是关键点。很多时候我们说碳化硅都是说额定可以达到600A，但是由于它电压太高，我们测试只能测到一半电压或者一半电流，这样没法让我们充分把碳化硅的模块做一个全面测试，所以整个碳化硅的高速开关、回路杂感带来的问题，回路杂感也会导致碳化硅的性能没法充分发挥出来，因为这么大的回路杂感都会极大降低整个碳化硅高速开关带来的电压和电流的变化率。再者我们说碳化硅模块可以做得非常低杂感，高的性能，但是我们也需要更加可靠的驱动电路和测试电路来匹配碳化硅器件和模块的高速特性。这样如果整个碳化硅电路不能具备高速特性和高抗干扰能力，很多时候驱动会失效，整个控制机台也会损坏。 从杂感回路讲，都希望整个功率回路杂感做到10nH以内。解决方案无论是从导体叠层也好，整个回路面积也好，都是可以通过电子厂的优化设计来优化功率回路的杂感。这边包括我们说的整个功率回路，不仅有功率母排需要低杂感化，薄膜互联、包括整个设计端子互联都需要低杂感化。 4.13上汽捷能SiC 800V给整车带来最大的一个亮点其实就是充电，因为新能源车对充电的要求是比较高的，当应用了800V以后，大功率充电就成为了可能。再就是800V带来很大功率的提升，比如我们在400V平台下可以做到250kw，800V平台下可以做到350kw的功率等级。另外介入碳化硅高功率、高效的模块应用，可以使得整车续航有5%-8%的提升。还有由于800V这种高压带来的一些结构紧凑方面的影响。 在2021年，800V的桩可以占比11%，2022年今年预计达到18%，2023年达到24%，2024年32%。从这个占比上可以看出来，每年的趋势是在增高的，新上市的这些充电桩基本上都是满足1000V这样的一个等级要求的。但是从这个点也可以看出，市面上的一些老的桩毕竟还是之前开发的，没有办法满足800V充电的需求，所以为什么昨天我看很多解决方案的都在提800V充电的兼容性。 上汽800V，电驱这边重量增加了4%，但是它的重量功率密度大大提升，可以提升60%。但是碳化硅这种高压功率器件成本还是比较贵，所以电驱的成本上升大概30%左右。另外一个部分就是电池，电池的充电速度其实可以大大地提升，提升50%-100%，甚至我们观察到有的公司充电倍率会做得很高。电池的重量由于高压等级带来的变化，导致重量会提升5%-10%。 由于大家都知道800V更适合碳化硅的技术应用，一方面主要是由于800V的这些优点，使得它成本的上升其实在电驱方面和电池续航的均衡性可以达到一定的接近或者平衡。有些可能会说是有正收益，但这取决于碳化硅跟硅基的比，目前还是将近三倍的概念，大家也希望随着行业的发展，包括产业的投资，包括现在看国内有很多的厂商也在布局，希望这个成本能进一步地降低，最终从2025年之后会得到一个比较好的平衡点，这样碳化硅在800V的体系下应用会有更大的一个空间。 800V碳化硅带来的首先就是效率方面，上汽将400V的C轴和800V的C轴效率做了对比，高效区明显变大了，会比400V大很多。这里有几个统计数据，90%的效率扩大6.6%，95%的效率区间扩大7%。碳化硅还有一个比较好的点是它更适合CLTC的工况，平均效率提高了3%-5%。 其实在10K频率下也可以控制在2.1万转的高速情况，但是还是可以看到我们这种电流的波动其实还是比较大的。但是从10K提到12K的时候，这个波动降低到了原来的1/5，整个扭矩波动也很小，所以为什么说碳化硅应用之后电机控制可以达到2.5万转这样一个情况，而在IGBT应用的平台下其实做2.5万转的控制还是比较难的。 很多系统解决方案都提到了升压，碳化硅可以促使基于碳化硅功率器件的复用上面把频率做高。这里有一个数据，这个是13K以下测到的噪音，可以看15K、16K、17K，可以看到很明显的优化。我们当时也是在现场看，现场用耳朵听，13K的时候明显可以听到声音的，到20K几乎已经听不到这种噪音。 首先，800V其实是技术可以带来极致的体验，它是新能源中重要的一个发展方向。另外碳化硅可以带来续航的改善。第三我们也觉得中国新能源已经发展了十多年，在业界已经有了非常多的认知，所以从IGBT到碳化硅本身是需要一些系统上的设计优化，但是我相信业界的同仁们都可以克服这些挑战。第四是可靠性方面，因为碳化硅也是刚成熟，它的芯片、封装包括主机厂的应用，这个过程中其实需要更多主机厂跟半导体厂商大家一起来合作，把碳化硅的可靠性做好。 4.14 Yole SiC 汽车的电压平台其实是由它的电池决定的，决定之后其它所有的子系统都要到电池的电压平台进行校准或者对齐。系统实际上有两部分，一部分是高压的主线，另一部分是信号控制的部分。可以看到电池的BMS，其它的系统大家都很熟悉。现在问题来了，这么多系统，之前的情况是每一个系统一个控制，整个串到一块做一个系统。现在出现了一个比较主流的集成方式，第一个就是所谓三合一的，另外一个是DC/DC、OBC、PDU集成的比较主流的方案。 碳化硅和800V是比较好的组合，但是它们俩并不是一对一的关系，最早其实出现800V的系统，但是当时碳化硅的器件并没有那么成熟，所以实际上用的还是硅的IGBT搭建的。第一个大规模使用碳化硅器件的车型，是400V的。 这个市场真的是发展得非常快，最近Yole又做了一些更新，发现又有两个车型使用的是碳化硅，一个是ET7，一个是SmartNo.1。其实这里面用的是一个国产的碳化硅的模块，芯片不是，但模块是国产的，是吉利一个广东的公司，先把碳化硅的模块应用起来，在400V的平台下面，因为800V对消费者的体验是快充比较好，但是真正能达到快充级别的少之又少，所以可能上了这种系统，消费者买了但是真正能享受到的益处是十分有限的。随着整个800V快充网络整个铺开之后，相信碳化硅和800V的协同效果就会发挥出来。这时候碳化硅的渗透率会出现比较大的提升。 芯片它就是这么小，其它的部分都是封装。封装从个人角度理解它实际上是两个作用，第一是连接功能，不管是信号还是功率流一定要通过某种方式连接到外面的系统里面，封装十分关键，不管什么形式都要实现连接功能。另外要保护的，放在板子上，两个热循环下来板子就崩掉了，所以这也是封装比较关键的。但是保护之后带来散热问题需要考虑。 碳化硅模块应用需要考虑的几个问题： 首先就是冷却，大家比较熟悉的就是单边的间接冷却，这是功率比较低的情况。Yole认为碳化硅实际上会更适合双面的水冷技术，效果会非常好。硅和碳化硅并不是完全一样的，因为实际上目前碳化硅大部分还是平台性器件，发热的范围很窄，产生的热量其实很高，这样对冷却提出了更高的要求。 第二个所谓银烧结技术，它有一个比较好的好处，相对来说封装的温度比较高。我们知道一旦封装温度比较高可靠性就有比较大的问题，银烧结就可以克服这个问题。大家可以银烧结实际上应用到不同的位置，包括底端的连接，不同位置都可以采用银烧结技术。银本身它的导热性也是比较好的。 除了银烧结之外还有一个比较新的趋势，铜烧结。材料本身的成本其实在这整个里面占比比较低，所以可能在成本上面不一定得到很大的优势，但是它可能实现一个全铜的模块，这是一个比较有优势的地方。银烧结应该慢慢开始普及起来，铜烧结很多公司开始做，但是现在还没有看到到量产的情况。 另外一个，键合技术。这里面尤其是对碳化硅来说，它可以在比较高频的情况下运行，所以它需要一个非常低的低电感技术。这里面我们提出了一些我们觉得比较有意思的，或者比较前瞻性的技术。这里面用了一个柔性的，有点像电路板的键合方式，包括像双面的键合，包括像他们做的也比较有意思，他们直接相当于把整个包覆的板作为像引线一样，直接焊接到这个表面，这都是比较新颖的键合技术。 另外大家比较关注的就是成本了。Yole把碳化硅和硅整个成本的比例是放到2.5左右，我们觉得在未来几年它可能逐渐降低到2左右。 材料方面，但是现在氮化镓在车上应用比较少，Yole做市场预测，大概从2026年就可以超过硅基的材料了。 参考资料：
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