解码特斯拉、小米硬刚的碳化硅电驱：芯片厂商最大战场
最新更新时间：2024-10-10
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你有没有发现，最近几年的汽车发布会上无人不谈碳化硅。尤其是自从碳化硅技术引入到电驱中，就如同给这颗心脏注入了一剂强心针，让电驱逆变器瞬间扭矩更大，效率更高，尺寸更小，车重更轻，续航更长。
所以，在电驱逆变器领域，碳化硅发展到哪一步了，未来半导体厂商又会如何布局碳化硅？本文将详细解读。
付斌｜作者
汽车开发圈｜出品
碳化硅电驱应用史
想搞清楚碳化硅市场的逻辑，势必要从车企角度看问题。
特斯拉是碳化硅上车的引领者，正因为特斯拉不顾一切力推碳化硅，碳化硅才得以红遍车圈。近二十年以来，特斯拉仅使用两种封装形式和两个工艺平台，所有车型都共享同一逆变器设计，体现了大单品战略。特斯拉的产品开发理念，以Cost Model为核心，主驱逆变器经历了四代发展，直到第三、四代，才开始正式使用碳化硅：
Gen1、Gen2逆变器采用TO247单管封装，结合灵活的工程设计，既能快速上市又有较好的功率扩展能力；2017年后推出的Gen3逆变器首创了车规级碳化硅器件封装，并兼容IGBT及混合封装，同时功率扩展性能依旧出色；2018年竭力控制特斯拉生产成本的马斯克，突然高举“碳化硅大旗”，不惜以高价在Model 3主逆变器中安装24个由ST生产的碳化硅（SiC）MOSFET 功率模块ST GK026（650V/100A）；而后Gen4逆变器又进行了全面升级，在400V平台上功率密度和重量都有显著提升，通过优化铜排结构和更严格的器件筛选，解决了Gen3存在的栅极谐振问题，同时，母线电容和铜排布局进行了优化，简化了工艺，降低了成本，并提高了生产效率。
此后，汽车厂商开启了“碳化硅大时代”。2021年，小鹏G9首次采用800V高压SiC平台；同样在2021年，蔚来首台碳化硅（SiC）电驱系统C样件下线；2023年，仰望、理想相继宣布进入800V快充市场，再度引燃碳化硅市场热度。
但“捧得高，摔得重”，特斯拉这位碳化硅的“贵人”突然改口，一句话“彻底毁灭”碳化硅。2023年初，特斯拉声称其新平台中将减少75%的碳化硅用量，以达到降本目的。此消息轰动一时，导致市场对碳化硅产生动摇。
业界专家认为特斯拉提出的混合器件逆变器方案，这种方案仅适用于特定场景，如供应问题等。虽然理论上混合器件能通过结合碳化硅和IGBT的优点降低损耗，但在800V平台上性能和成本优势不明显，且实现难度大，鲁棒性弱，降本效果有限。碳化硅技术进步很快，混合模块的优势会迅速削弱，因此不建议作为长期方案。
然而，一切的疑虑都随着小米SU7的发售而烟消云散。可以说，小米SU7是碳化硅坚实的拥趸，它全系全域碳化硅，不仅前后电驱都是碳化硅，就连车载充电机（OBC）和热管理系统的压缩机都用了碳化硅。
据分析，小米SU7单电机版本的SiC MOSFET用量64颗，其中主驱36颗，OBC14颗，高压DC-DC8颗，空压机电控6颗；双电机版本112颗，其中主驱48颗，辅驱36颗，OBC14颗，高压DC-DC8颗，空压机电控6颗。这还不包括充电桩和PTC等环节。
时至今日， 集成式电驱大行其道，比如今年的车展上，展出的产品包括吉利11合1智能电驱、比亚迪八合一电动力总成、博世高功率密度多合一电驱系统、长安100kW-250kW中高压同步/异步多合一电驱系统、华为异步五合一电驱系统、博格华纳800V集成式电驱动模块等，这些多合一中碳化硅都是不可或缺的一部分。
可以说，未来汽车的“含SiC”量只会多，不会少。据不完全统计，2024年的北京车展中就有超过70款搭载了SiC器件的新车。
ST：第四代碳化硅功率技术问世
意法半导体（ST）是平面型的坚实拥趸，其碳化硅器件在汽车上的装机量一直处于领先的地位，最近，ST将STPOWER碳化硅技术升级到第四代，其在能效、功率密度和稳健性三个方面成为新的市场标杆。主要瞄准的应用还是800V市场。
从技术参数来看，以25摄氏度下的导通电阻（RDS(on)）为基准，第四代碳化硅器件的裸片平均尺寸相比第三代减少了12～15%。此外，第四代碳化硅具有更快的开关速度和更低的开关损耗，特别适合高频应用，并可实现更紧凑、高效的电源转换器。这一代技术在动态反偏测试（DRB）中的表现更为优异，超过了AQG324标准，确保在恶劣条件下依然可靠工作。
ST的最新SiC MOSFET产品提供750V和1200V两种电压等级，分别提升400V和800V电动汽车平台电驱逆变器的能效和性能。根据ST的规划，到2025年，这两种电压等级的产品将实现量产，使碳化硅的高效优势从高端电动汽车扩展到中型和紧凑型车型。到2027年，ST计划推出一系列碳化硅技术创新，其中包括一项突破性成果。
目前，ST已完成第四代SiC技术平台750V产品的产前认证，预计将在2025年Q1完成1200V产品的认证。随后，这些750V和1200V的产品将正式上市，覆盖从标准市电电压到高压电动汽车电池及充电器等多种应用场景，满足设计人员的广泛需求。
ONsemi：最后一代平面架构的M3e
安森美（ONsemi）最新的碳化硅技术已在最近迭代至第三代（M3S和M3E），并且准备从平面型转移到沟槽型碳化硅。M3E将是安森美最后一款平面结构的碳化硅MOSFET，接下来将全面转向沟槽技术。安森美计划在2030年之前推出多款新的EliteSiC产品，并从第四代开始全面转向沟槽栅SiC MOSFET技术。
M3E主要的技术改进体现在元胞结构由四边形和六边形变为间距更小的条形结构，M3E的元胞长度相比M1平台缩小了65%，并通过晶圆减薄工艺降低了导通电阻。
目前，M3E已通过众多战略性客户的技术评估，多个客户正加速采用这一技术。今年7月，安森美与大众汽车集团签署了一份多年协议，其EliteSiC M3E MOSFET将用于大众下一代可扩展系统平台（SSP）的牵引逆变器电源解决方案。
除此之外，值得注意的是，安森美采用先进互连技术的压铸模封装进一步提高了SiC模块的高功率密度，并且具有低杂散电感，而且更高的开关频率有助于减小系统中一些无源组件的尺寸和重量。
这种封装类型具有多种工作温度选项，最高达 200°C，可降低OEM的散热要求，并有望采用更小的泵进行热管理。
Infineon：更新第二代（G2）CoolSiC
英飞凌（Infineon）在沟槽型碳化硅上布局比较早，于2017年推出了首款沟槽型SiC MOSFET——CoolSiC MOSFET G1。该产品通过沟槽栅设计解决了SiC MOSFET中栅极氧化物的可靠性问题，并克服了传统SiC MOSFET在控制和驱动方面的限制，推动了其在汽车领域的应用。
今年3月，英飞凌将其更新到第二代（G2），英飞凌在保持G1高可靠性的基础上，进一步提升了性价比，并加入了新的鲁棒性功能，以最大化SiC功率系统的投资回报。
与G1相比，G2在各方面都得到提升，包括：改进的芯片性能和FOMs（优势指标）使得在典型负载下功耗降低5%～20%；通过改进的XT封装互连，G2的耐热性提高了12%；同类最佳的导通电阻和广泛的产品组合，最大栅源电压范围扩大至10V到23V，适用于所有SiC应用，确保设计灵活性；具备高达200℃的过载结温、出色的雪崩鲁棒性以及2微秒的短路耐受时间，简化了过电流系统设计，特别是在1200V电网波动下；基于G1在可靠性的优秀表现（百万分之一缺陷率甚至低于硅功率器件），G2在此基础上进一步优化。
Rohm：第四代深掩蔽双沟槽SiC
罗姆的碳化硅也已经进入沟槽时代，并于2020年完成开发第4代SiC MOSFET，是在改善短路耐受时间的情况下实现业内超低导通电阻的产品，目前不仅可供应裸芯片，还可供应分立封装的产品。
对比起来，第一二代SiC MOSFET都采用了平面栅极设计，2015年率先推出量产双沟槽结构的第3代产品，2021年推出最新的第四代SiC MOSFET，进一步改进了双沟槽结构，预计2025年和2028年推出的第五代和第六代产品的导通电阻会再降低30%；
在第4代SiC MOSFET中，通过进一步改进罗姆自有的双沟槽结构，成功地在改善短路耐受时间的前提下，使导通电阻比以往产品降低约40%。作为SiC MOSFET，实现了业界超低的导通电阻；通过大幅降低栅漏电容（Cgd），成功地使开关损耗比以往产品降低约50％。
此外，除了到第3代SiC MOSFET为止所支持的18V栅源驱动电压（Vgs）外，第4代SiC MOSFET还支持更容易处理的15V栅源驱动电压，可与IGBT一起用来设计驱动电路（栅极驱动电路）。
总结
随着技术不断升级，新一轮的碳化硅军备赛即将打响，一方面，是200mm SiC晶圆产能升级，另一方面，是技术上的升级，为了提升Rdson，有些厂商选择沟槽型SiC，有些厂商则进一步内卷。总之，电驱作为碳化硅升级需求最为迫切的领域，将会首先打响碳化硅的升级之战，而后这些技术会逐渐渗入汽车的每个角落。
参考文献
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