取代IGBT的碳化硅还面临哪些挑战？

为了进一步扩大碳化硅在汽车牵引逆变器中的应用，安森美推出了全新的900V碳化硅功率模块VE-TracdirectSic，该模块采用six-pack封装，分为17mΩ和22mΩ导通电阻。在测试模拟中，安森美将VE-TracdirectSic与VE-TracdirectiGBT820A进行了比较，在使用相同电池的情况下，碳化硅功率模块可以提高5%的效率，这意味着续航能力可以提高5%。

随着汽车电气化趋势的兴起，电动汽车已经占据了2021年新的5%。据统计，到2030年，电动汽车的份额将超过30%，道路上的电动汽车数量将达到1500万辆。

在汽车电气化牵引系统中，主逆变器中的功率模块也有很多需求。首先，自然是更大的功率，大功率意味着更大的扭矩。然后是更高的效率。在电池容量有限的情况下，更高的效率意味着损失更少，等于里程更长。

还有更高的电压。目前，400V电池已成为主流标准，但保时捷Taycan、现代IONIQ5等800V系统已开始崛起。随着快速充电需求的激增，800V快速充电方案和800V电池即将普及，AP1510SG-13逆变器必须能够承受如此高的压力。

其次，重量较低，重量的减少也使车辆重量更轻，减少电机负载，然后提高耐久性。最后，体积更小，以便插入轴，提供更大的内部空间。鉴于上述需求，该行业普遍将碳化硅视为替代IGBT的下一代解决方案。

汽车牵引系统中的碳化硅

那么，碳化硅在当前汽车动力系统中取代IGBT的优势是什么呢？碳化硅动力模块是以碳化硅半导体为开关的动力模块，用于汽车逆变器中高效转换电能。首先，与硅材料相比，碳化硅硬度更高，更适合烧结工艺，机械完整性更好。

碳化硅的另一个主要特点是击穿电压高。在400V向800V的过渡下，击穿电压必须翻倍。碳化硅的击穿场强度为2500kV/cm，硅材料仅为300kV/cm，这意味着碳化硅可以在较低厚度下实现较高的击穿电压。

然后是众所周知的散热能力。碳化硅的导热系数是硅的四倍以上，因此散热速度更快，从而降低了电动汽车的散热成本。当然，最重要的属性自然是其禁带宽度。碳化硅3.23eV的禁带宽度带来了更高的电子迁移率和更低的损失，开关速度也更快。

为了进一步扩大碳化硅在汽车牵引逆变器中的应用，安森美推出了全新的900V碳化硅功率模块VE-TracdirectSic，该模块采用six-pack封装，分为1.7mΩ和2.2mΩ导通电阻。市场上电阻这么低的并不多，大概只有WolfspedCAB760M12HM3等功率模块才能与之相比，导通电阻达到1.33mΩ。

在测试模拟中，安森美将VE-TracdirectSic与VE-TracdirectiGBT820A进行了比较，在使用相同电池的情况下，碳化硅功率模块可以提高5%的效率，这意味着续航能力可以提高5%。这种效率提高也用于降低成本。如果里程是固定目标，使用碳化硅功率模块可以降低电池容量，进而降低5%的电池成本。最后，如果使用1.7mΩ等低阻碳化硅功率模块，功率可以比820AIGBT提高29%。

在其碳化硅产品的在线会议上，安森美产品线经理JonathanLiao对未来碳化硅产品和800V电池的优势发表了自己的看法。首先，碳化硅更高的击穿电压将进一步促进800V电池的普及，以更低的电流实现相同的功率，从而减少加热，而更高电压的电池将提高车载逆变器的功率密度。

在汽车层面，碳化硅实现了更高的电压、更低的电流和更少的横截面电缆和连接器，进一步减轻了汽车的重量。此外，碳化硅可以实现更高的充电功率，如超过35kW，可以在20分钟内实现80%的充电功率。约翰尼Liao还提到，虽然800V的趋势已经开始出现，但未来高性能车型将率先采用800V架构。

不仅如此，除了凝胶6-pack模块外，安森美还准备在未来推出转移模塑的碳化硅模块。利用先进的互联技术进一步提高功率密度，甚至可以达到200摄氏度以上的工作温度，扩大碳化硅模块的使用场景。

普及碳化硅的障碍

那么，有了这些优势，为什么碳化硅的使用在汽车逆变器方案中不流行呢？JonathanLiao给出了碳化硅的五个原因和现状。首先是成本。相信很多了解碳化硅的人都知道碳化硅的价格比硅基IGBT高。然而，JonathanLiao表示，目前碳化硅的成本更高，但这主要体现在模块成本上。但是，如果考虑到整车成本，碳化硅的方案成本会更低。正如上面提到的，碳化硅可以降低电池的成本，而电池往往是整车方案中成本最高的部分。

然后是供应问题。目前只有少数厂家提供碳化硅材料，如Wolfspeed、昭和电工、GTAdvancedTechnologies(GTAT)等。目前，许多半导体公司的碳化硅产品仍由与这些供应商的合同提供。随着安森美今年收购GTAT，安森美有能力生产碳化硅衬底和外延，其晶圆厂也开始准备从150mm转移到200mm。

其次是技术成熟度。乔尼·哈利指出，与IGBT相比，碳化硅的技术成熟度确实不如后者。然而，从该技术的发展速度、研发投资和实际应用来看，碳化硅半导体制造商和汽车制造商都认为碳化硅技术已经可以用于汽车牵引系统。

也很难实现，因为这是一个快速的开关装置，所以我们必须对原来的设计提出一些挑战。最后是包装问题。目前，为了普及类似IGBT的包装方案，随着后续的发展，碳化硅方案将逐渐转向更先进的包装方案，提高使用寿命、散热甚至性能。

小结

虽然碳化硅取代IGBT仍面临许多挑战，但从半导体巨头坚定投资的决心来看，这种宽禁带半导体很快就会在汽车市场上流行起来。在ST、Wolfspeed、英飞凌、罗姆、安森美等国外厂商的激烈竞争下，国内碳化硅企业崛起并不容易。