碳化硅的前世今生之03：特性决定应用

碳化硅作为宽禁带化合物半导体材料，具有比传统硅材料更加优异的性能，尤其是用于功率转换和控制的功率器件。与传统硅器件相比，碳化硅具有禁带宽度宽、耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，开关速度快、效率高，可大幅降低产品功耗，提高能量转换效率并减小产品体积。

随着时间的推移，碳化硅技术越来越赢得用户的青睐，应用范围也在不断扩大。近年来，碳化硅半导体器件在高压输变电、轨道交通、电动汽车、电源、通信基站、太阳能、风力发电、消费类电源等领域备受欢迎，市场潜力巨大。

还有一个经常与硅和碳化硅相提并论的材料是氮化镓，它们各有特点。总的看，碳化硅可以承受更高的电压，主要应用在1000V以上的应用场景。

目前硅MOSFET主要用在1000V以下（600至900V）的场景，超过了1000V，硅MOSFET体积就会变得很大，开关损耗、寄生电容都会随之增加，价格也会提升。也就是说，1000V以上应用的真空地带恰恰是碳化硅的用武之地。

在消费电子领域，随着USB PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟，大功率快充电源市场逐渐兴起，碳化硅二极管也开始在消费类电源市场崭露头角，进入了百瓦级大功率快充供应链，在于快充电源实现更高的效率和更小的体积。

碳化硅器件有低压、中压和高压产品，低压产品主要面向消费电子，如PFC、电源等。中压产品主要面向汽车电子和3300V以上的轨道交通和电网系统，特斯拉Model 3用的碳化硅器件就是中压产品。

现在，在中低压领域，碳化硅二极管和MOSFET产品已经非常成熟，与氮化镓器件有部分应用重合。而在高压领域，碳化硅的优势独树一帜，但非常成熟的产品还很少，也是厂商竞相研发的热点。

目前，电动汽车已成为碳化硅的最佳应用场景。来看看一些车企是怎么做的，特斯拉Model 3电动汽车的核心部件电驱动模块，它率先采用了24个意法半导体的碳化硅MOSFET器件。

特斯拉在之后的Model S和Model X车型也采用了碳化硅器件的牵引逆变器，不仅展示了碳化硅在电动汽车牵引方面的全部性能优势，也缩小了硅和宽禁带世界之间的鸿沟。之后，汽车用碳化硅器件的发展速度加快，主逆变器和车载充电器的设计不断增加，搭载碳化硅的新车型也开始多起来。

很多厂商倾向于使用碳化硅的原因是可以使电驱动模块体积比硅基IGBT缩小50%以上，能量密度也提高很多，可以优化零部件在车上的布置，节省更多的空间。

2020年，比亚迪推出了汉车型，美国Lucid推出了Lucid Air，两款车都搭载了全碳化硅模块的主逆变器。

2021年10月，蔚来ET7通过使用碳化硅功率模块、减少了零部件数量，优化了电磁方案和减速器速比（从9.57提升到10.48），并采用了扁线绕组等技术，在功率提升12.5%的基础上，重量依然保持在88公斤，使功率密度超过了2.04kW/kg，在国产电驱系统中处于领先地位。为此，蔚来ET7续航提升4-6%，同时标志着800V母线电压时代的到来。据透露，蔚来使用的碳化硅模块来自安森美。

小鹏的G9采用了800V碳化硅平台，小鹏汽车还将铺设中国首批量产的480kW高压超充桩，有望实现充电5分钟，续航200公里。

我们看到，随着快充需求的增加，电动汽车正逐步向800V架构过渡，成为碳化硅上车的催化剂。一些高端豪华车，如保时捷、奥迪、Lucid Air都使用了800V或900V母线电压，这对汽车级开关电源芯片的要求不断提升。

自从800V电池系统电动汽车问世以来，1200V碳化硅器件越来越受到人们的关注。经过几年的发展，针对牵引逆变器应用的1200V碳化硅MOSFET技术已成为众多器件制造商的优先选择。

与此同时，厂商们也在开发适合高压应用的封装，以充分利用碳化硅MOSFET的附加价值。理由在于，在同样功率条件下，提高母线电压就会减小电流，也会降低与电流相关的导线损耗，因此可以使用更细的导线，整车重量和体积都会因此而下降，对续航里程非常有帮助。

为什么汽车厂商对高压系统这么趋之若鹜呢？从一些研究比较可以看出，与400V平台相比，采用800V母线电压所产生的热量损耗仅是原来的五分之一，这就大大提升了电动汽车的效率。

另外，提高母线电压可以大幅缩短电池充电时间。充电慢是电动汽车行业的核心痛点，高电压平台和超充桩是实现大功率快充的主要方案。

以2020年热销的部分纯电动车型为例，直流快充的理论平均充电倍率约为1C（1小时可充满100%剩余电量，即SOC），完成30%-80% SOC需要30分钟，NEDC（欧洲的续航测试标准：新欧洲驾驶周期）续航里程约为227公里。Model 3使用自建超充桩可实现充电15分钟行驶279公里，理论充电倍率约为1.85C，是行业较高水平。而在满足国标标准的充电桩下，比亚迪汉EV的充电速度是主流车型中最快的，其峰值充电功率可达120kW，完成30%-80% SOC仍需25分钟。

比较各种充电解决方案，高电压平台和配套的超级充电桩是目前大多数整车厂所看好的主要方案。未来一两年，华为、比亚迪、吉利等行业主流企业都将推出高电压平台及相关车型，充电倍率有望达到2C。这样就可以使充电焦虑得到明显缓解。

一年半之前，预测显示大约有20%的车会采用800V母线电压，现在已经有50%以上的新车型都采用了800V母线电压。以后的趋势甚至会出现1000V到1200V母线电压的电动汽车车型。

上面提到，电动汽车向800V架构的过渡满足了快充需求，碳化硅带来的优势十分明显，将被大规模应用于OBC（车载充电器）。以2200W 800V双向OBC为例，从硅设计改为碳化硅，功率器件和栅极驱动数量都可以减少30%以上，开关频率提高一倍以上，在降低功率转换系统的组件尺寸、重量和成本的同时，也提高了运行效率。

目前，已有多家车企的OBC、DC-DC采用碳化硅，而在主逆变器中使用碳化硅的量产车企还很少。800V架构的引入将促进碳化硅器件在逆变器中渗透，增加市场对其可靠性的验证，为其在主逆变器的应用做好铺垫。

2021年4月，江淮汽车与博世动力总成系统中国区在上海签订战略合作框架协议。双方将在400V和800V电驱系统、碳化硅逆变器和电驱桥方面展开合作。

2022年1月，上汽大众宣布完成碳化硅“三合一”电桥试制，未来将搭载在ID.4 X车型上。

2022年1月，Equipmake推出一款全新逆变器，利用碳化硅的高功率密度，其HPI-800逆变器提供了相当高的效率提升，不仅有可能导致电动车电池的尺寸减小约10%，而且逆变器本身更紧凑体积和重量轻也带来了更多好处。

2022年2月，博格华纳宣布将为国内领先自主品牌旗下的全新高端纯电动整车平台提供新型800V碳化硅逆变器，用于该汽车制造商的两大高端子品牌电动车型，并面向全球市场的中高端消费者。搭载该平台的首款新车计划将于2023年第一季度上市。

迄今为止，800V充电系统采用碳化硅逆变器已经成为了趋势，据不完全统计，保时捷、奥迪、玛莎拉蒂、阿斯顿马丁、捷豹、Lucid和蔚来、小鹏等20多家车企已经宣布采用800V碳化硅逆变器。看来，逆变器搭载碳化硅的现实就在眼前。

注：本文汇总仅用于分享，部分图片及文字来源于网络，如有侵权，请联系。

本系列文章为原创，转载请注意来源《Bodo’s功率系统》