? ? ? ?碳化硅（SiC），是一種硬度僅次于金剛石的半導體。“晶體雖小，本領(lǐng)可不小。”碳化硅功率器件具有高耐壓、低損耗、高導熱率等優(yōu)異性能，可以有效實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化，是新能源汽車、5G通訊、智能電網(wǎng)等未來支柱產(chǎn)業(yè)必不可少的核心半導體原料。晶體雖好，但要打破國外的壟斷很不容易。”掌握成熟工藝的少數(shù)國家一直實施嚴格的科技壁壘政策，想要在競爭中取勝，自主研發(fā)是唯一的制勝法門。目前，已能自主研發(fā)制造5N碳化硅微粉和6英寸雙坩堝碳化硅單晶爐，一臺單晶爐可同時生長兩個晶體，填補了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備的空白。
碳化硅SiC：純電動汽車BEV動力總成邁向成功的基石
根據(jù)各方面所預計，電動汽車 EV 市場正在迅速增長。國際能源署 2019 年電動汽車 EV 展望報告指出，2018 年全球電動汽車 EV 數(shù)量超過 510 萬輛，比前一年增加 200 萬輛。此外，截止到 2018 年年底，電動公共汽車、輕型商用車 (LCV)、電動兩輪車的數(shù)量分別為 46 萬輛、25 萬輛和 2.6 億輛。電動汽車 EV 在同年的總耗電量約為 58 TWh。如果與相同數(shù)量的內(nèi)燃機 (ICE) 車輛相比，則相當于減少了 3,600 萬噸二氧化碳排放。[1]預計這一綠色環(huán)保的趨勢將繼續(xù)保持下去。Research and Markets 等分析機構(gòu)估計，2020-2030 年全球電動汽車 EV 市場份額將增長 19.8，達到近 1.3 萬億美元。[2]電動汽車 EV 動力總成強大、輕量、高效的純電動汽車 BEV 動力總成使得我們向全電動交通工具方向的邁進成為可能。

該動力總成（圖 1）包括：
?1、一個車載充電機，帶有AC/DC轉(zhuǎn)換器（將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為直流中間電壓）和DC/DC模塊（將直流轉(zhuǎn)換為給電池快速充電所需的電壓）。充電機還能通過再生制動，將回收的能量輸送到電池。理想情況下，充電機應實現(xiàn)雙向充電功能，以便能夠利用未來的智能電網(wǎng)，并根據(jù)需要將能量輸送回電網(wǎng)或家庭。
?2、一個電池組。
?3、一個逆變器，它是動力傳動的一部分，用于驅(qū)動電機（通常是永磁同步電機 [PMSM] 或感應電機）。
碳化硅SiC：純電動汽車BEV動力總成邁向成功的基石
圖 1：純電動汽車 BEV 動力總成包括車載充電機（電池左側(cè)）、電池本身和動力傳動（包含驅(qū)動牽引電機 [電池右側(cè)] 的逆變器）。純電動汽車 BEV 市場的成功與否，關(guān)鍵在于汽車制造商能否解決消費者的“續(xù)航里程焦慮”。要增加純電動汽車 BEV 的續(xù)航里程（即兩次充電之間可行駛的距離），汽車制造商可通過增加電池尺寸、提高系統(tǒng)效率、減輕重量或?qū)嵤┧羞@些措施來實現(xiàn)。例如，市場調(diào)研機構(gòu) Adamas Intelligence 稱，特斯拉在部署電池容量方面占據(jù)主導地位，原因是特斯拉的純電動汽車BEV使用 60 到 100 kWh 的電池，相比之下，2019 年上半年售出的所有電動汽車 EV （純電動汽車BEV和所有其他類型）的全球銷售加權(quán)平均電池容量為 19.7 kWh。[3] 隨著新款沃爾沃 XC40? Crossover（配備 78 kWh 電池組）、2020 款梅賽德斯-奔馳 EQC（80 kWh）、2019 款奧迪 E-Tron（95 kWh）和 2019 款日產(chǎn) Leaf Plus（62 kWh）的面世，全球發(fā)展趨勢正在迎頭趕上。然而，額外的電池容量也增加了純電動汽車 BEV 的重量和成本。因此，減輕動力總成的重量并提高效率，可以進一步增加純電動汽車 BEV 續(xù)航里程或控制成本。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵技術(shù)是碳化硅 SiC。與傳統(tǒng)硅 Si 技術(shù)相比，碳化硅 SiC 器件可提供：
?●比 硅 Si 低 2 到 3 倍的導通壓降
?●額定溫度下，比硅 Si 更低的漏電流
?●開關(guān)時更高的邊緣速率（由于是多數(shù)載流子器件）
?●比硅 Si 高 10 倍的擊穿場強，使得相同封裝的碳化硅 SiC 器件能夠承受更高的電壓
?●更高的熱導性，能夠在更高的芯片溫度下實現(xiàn)安全運行
?減輕重量
?將動力總成的部件保持在一個安全的工作溫度范圍內(nèi)需要借助冷卻系統(tǒng)，而這會大大增加純電動汽車 BEV 的行車自重。碳化硅 SiC 的高熱導性有助于更快帶走熱量，而且碳化硅 SiC 器件能夠在更高溫度下工作，從而減輕與散熱解決方案有關(guān)的壓力。碳化硅 SiC 器件工作的開關(guān)頻率比硅 Si 器件高 100 到 1,000 倍。這可減小轉(zhuǎn)換器中所需磁性元件的尺寸，進而減小系統(tǒng)尺寸和重量。例如，純電動汽車 BEV 硅 Si 基動力傳動重量可能超過 15 kg。而高性能碳化硅 SiC 基逆變器重量可減少 6 kg，體積可縮小 43。[4]提高效率碳化硅 SiC 的開關(guān)頻率更高，固有損耗更低，能夠提高系統(tǒng)效率。在雙向車載充電機中，碳化硅 SiC 允許使用圖騰柱 PFC 拓撲，與硅 Si 基器件所能實現(xiàn)的相比，既高效又具成本效益。DC/DC側(cè)的開關(guān)頻率在 150 kHz 到 300 kHz 之間，比硅 Si 基電路最多可快 3 倍。這種 6.6 kW 充電機的參考設(shè)計使用了 16 顆碳化硅 SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 的最新碳化硅 SiC 系列，峰值效率可超過 96。[5]逆變器設(shè)計革新動力傳動是一個具有挑戰(zhàn)性的應用，功率范圍從 90 kW 到 350 kW 以上，且無行業(yè)標準可循。但是，碳化硅 SiC 具有效率高、尺寸更小和重量更低的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可以擴展到純電動汽車 BEV 動力傳動中的逆變器，而且這已通過測試得到了很好的驗證。根據(jù)德爾福對基于碳化硅 SiC 和基于 IGBT 的 200 kW 逆變器進行的一項基準對比，碳化硅 SiC 技術(shù)可以使系統(tǒng)尺寸減小 30、損耗降低 80，并且能夠降低系統(tǒng)成本。[6] 由于純電動汽車 BEV 上路行駛的大部分時間都不是處于滿載條件，所以損耗的降低意味著進一步增加了續(xù)航里程。另一項在更高功率 (300 kW) 的對比表明，碳化硅 SiC 基 CRD300DA12E-XM3 逆變器重量僅為 6.2 kg，提供的體積功率密度為 32.25 kW/L，而硅 Si 基設(shè)計重量為 14.06 kg，體積功率密度為 3.2 kW/L。[7]但是，革新的不僅是功率密度。碳化硅 SiC 具有更快的開關(guān)速度、更低的死區(qū)時間、更小的壓降和輸出電容，從而使相電壓畸變更低、帶寬更高。與硅 Si 基所能實現(xiàn)的相比，除了在逆變器層面的效益外，碳化硅 SiC 基 MOSFET 的設(shè)計還會影響電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能特性，例如可提供更快的響應、更高的相對穩(wěn)定性和穩(wěn)固性。