SiC在新能源汽车电驱动系统中的应用 | 一览众车

一、应用概况

碳化硅（SiC）是一种应用十分普遍的人造材料，因具有高硬度、耐高温、耐磨、耐热震、耐腐蚀、良好导电性、导热性和吸收电磁波等特殊性能，除用作磨料外，在冶金、化工、陶瓷、航空航天等各工业部门均有广泛应用。碳化硅在新能源汽车上的应用主要有充电模块、车载充电机、压缩机、变换器、电机驱动等部件。

图表1SiC在新能源汽车中的应用

资料来源：一览众咨询

在新能源汽车中，功率器件是电驱动系统的主要组成部分，对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。目前，新能源汽车电驱动部分主要就硅基功率器件组成。随着电动汽车的发展，对电驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。

目前，国内外半导体材料主要有Si（硅）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAS）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等。

目前基于传统硅（Silicon Si）功率器件的电机驱动器由于硅材料本身的限制已接近其极限，尤其在高频和高功率领域更显其局限性。SiC和GaN材料具有Si材料不可比拟的优势。目前行业界的一个共识是：SiC基器件更适合高压(&gt(参数|图片);1 200 V)大功率器件需求，而GaN基器件适合应用于中低压 (<1 200 V)高速开关功率器件的需求。这两种材料器件在600 V、1 200 V和1 700 V电压等级应用形成竞争。

相比而言，GaN要实现产业化还需要十几年时间，甚至更长时间，而SiC实现产业化则更为现实。与Si器件相比，以碳化硅（Silicon Carbide SiC）为代表的宽禁带半导体功率器件具有更高的电压等级、更高的开关速度、更高的结温、更低的开关损耗等优势。这些优势让SiC如今在电动汽车大功率半导体部件中开始应用。

图表2硅基材料功率器件的工作极限

电动汽车的电动模块中电动机是有源负载，其转速范围很宽，且在行驶过程中需要频繁地加速和减速，工作条件比一般的调速系统复杂，采用碳化硅功率器件可有效提高其驱动系统，获得更高的击穿电压、更低的开启电阻、更大的热导率以及能在更高温度下稳定工作，可以大幅提升电动汽车轻量化水平。因此汽车厂商都对新一代碳化硅功率器件寄予了厚望，希望通过应用碳化硅功率器件大幅实现电动汽车逆变器和DC-DC转换器等驱动系统的小型轻量化。

二、市场格局

从产业格局看，目前全球SiC产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大，占有全球SiC产量的70%-80%；欧洲拥有完整的SiC衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。

在SiC应用于电动汽车方面，SiC肖特基二极管器件已经广泛应用于高端电源市场，包括PFC、光伏逆变器和高端家电变频器。以SiC的龙头企业美国科锐、德国英飞凌、日本罗姆等半导体巨头公司为代表的功率器件公司逐步推出SiC金属一氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、双极结型晶体管 (BJT)、结 型场效应管 (JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IG—BT)产品。其中日本企业在SiC应用推广上更加积极，不断推出SiC二极管和 MOSFET的功率模块 ，并在电动汽车和轨道交通上不断进行应用研究，目前已经取得了明显的成就。

日本：目前SiC器件在电动汽车（含混合动力汽车）上应用发展最快的是日本企业，典型为丰田公司。丰田中央研发实验室和电装公司 从1980年就开始合作开发SiC半导体材料，2014年5月他们正式发布了基于SiC半导体器件的零部件——应用于新能源汽车的功率控制单元（PCU）。

另外，本田汽车公司、日产汽车公司均和罗姆公司就HEV／EV应用SiC半导体技术进行了多年的合作研究。本田和罗姆公司共同开发出了使用SiC半导体器件的高功率电源模块，将转换器和逆变器的二极管和晶体管全部由硅器件改为SiC器件。

美国：福特汽车公司2015年底宣布计划为电动汽车项目投资45亿美元。近年福特公司已经就SiC／GaN器件在混合动力汽车上的应用进行了投资研究。另外，特斯拉已在车型中应用SiC功率器件。

另外SiC技术的著名企业美国Cree公司开发了多款适合于新能源汽车使用的SiC功率模块，并和 合作伙伴合作推出了使用SiC功率模块和二极管 的电动汽车充电桩整体解决方案。

中国：在科技部发布的《“新能源汽车”试点专项2017年度项目申报指南建议》资料显示，对SiC第三代宽禁带功率器有特别的要求，要求“宽禁带电力电子模块电流≥400A，电压≥750V；电机控制器峰值功率密度≥30kW/L，匹配电机额定功率40-80kW，最高效率≥98.5%；产品装车应用不低于1000套。”

应用方面，国内的比亚迪在也已在SiC方面进行布局。比亚迪己投入巨资布局第三代半导体材料SiC。目前，比亚迪己经成功研发了SiC MOSFET（汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或MOSFET等）。预计到2023年，比亚迪将在旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IUBT的全面替代。

虽然我国开展SiC，GaN材料和器件方面的研究工作比较晚，但也有一些企业在产业化方面己初具规模，如SiC衬底制造商：北京天科合达半导体股份有限公司；SiC外延制造商：东莞天域半导体科技有限公司、瀚天天成电子科技（厦门）有限公司；SiC器件制造商：南京国盛电子有限公司、泰科天润半导体科技（北京）有限公司。同时我国多家半导体厂商也在积极布局SiC和GaN器件，华润华晶微电子和华虹宏力就是其中的代表企业。

总体来看，新能源汽车行业上普遍认为电池是新能源汽车的技术瓶颈，对电机驱动、控制系统，充电系统中的新技术认识不足。实际上在汽车电力电子技术上，我国很多技术处于产业链空白，建立在现代功率半导体（IGBT和MOSFET等）基础上的电子电路、芯片和模块几乎全都依赖进口。目前，以碳化硅、氮化镓等为代表的第三代宽禁带功率半导体在新能源汽车上的应用成为未来发展趋势，然而在这些领域，我国在其应用研发上明显落后于国外，国内企业还有较长的路要走。

三、存在的问题

尽管碳化硅功率器件在电动汽车驱动系统的使用中具有显著的优势和广泛的应用前景，但仍有以下问题需要解决：

图表1SiC在电动汽车驱动系统中应用存在的问题

资料来源：一览众咨询

针对存在的问题及应用现状，可以判断SiC器件应用将呈现如下趋势，一是提高开关频率和母线电压，一方面降低系统对电容、电感等无源器件的要求，另一方面允许电机转速增大，减小电机额定转矩，从而实现控制器成本的进一步压缩；二是，提高功率器件的结温，便于利用高温冷却液，或者应用风冷散热方法，在降低散热系统成本的同时，提升控制器功率密度；三是改进芯片特性使之接近理论极限并提高成品率，减小芯片成本；四是改进电磁兼容性能，对SiC器件引起的电磁干扰的产生机理和抑制方法进行深入研究。