800V高壓超充時(shí)代，揭秘車載功率器件的難點(diǎn)與痛點(diǎn)？

 功率半導(dǎo)體在新能源汽車上的應(yīng)用

功率器件是新能源汽車實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件。 相較于燃油車， 電動(dòng)汽車將不再需要汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，油箱或變速器，而決定電動(dòng)汽車性能的核心部件是電動(dòng)機(jī)，PCU（動(dòng)力控制單元）及其他核心電氣部件。在這些部件中MOSFET、 IGBT 等等功率器件都起著非常關(guān)鍵的作用。其中IGBT 適合高壓工作，而MOSFET 適合低壓工作。在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中， IGBT 用于逆變器模塊，該模塊將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在電源系統(tǒng)中， IGBT 用于各種交流/直流與直流/直流變換器中，實(shí)現(xiàn)為蓄電池充電與完成所需電壓等級的電源變換等功能。此外，新能源汽車充電樁中也需要大量使用 IGBT。為了延長續(xù)航里程并減小車載電池的尺寸，提高發(fā)揮驅(qū)動(dòng)核心作用的電控系統(tǒng)的效率已成為一個(gè)重要課題。SiC（碳化硅）作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具備高電壓、大電流、高溫、高頻率和低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢。因此，業(yè)內(nèi)對碳化硅功率元器件在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用寄予厚望。新能源汽車的蓬勃發(fā)展也導(dǎo)致了汽車功率半導(dǎo)體中 IGBT 和 MOSFET 的需求量越來越大，種類也越來越多。

此外，從車載設(shè)備到工業(yè)設(shè)備和消費(fèi)電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用中，二極管被廣泛用于電路整流、保護(hù)和開關(guān)用途，為了削減安裝面積，要求減小二極管的封裝尺寸。此外，在這些應(yīng)用中，還需要使用更高性能的二極管來降低功耗。而另一方面，當(dāng)減小二極管的封裝尺寸時(shí)，背面電極和模塑表面積也會(huì)減小，從而會(huì)導(dǎo)致散熱性變差。對此，羅姆的PMDE封裝通過擴(kuò)大背面電極和改善散熱路徑，提高了散熱性能。封裝小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)封裝同等的電氣特性。

意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)，功率晶體管事業(yè)部戰(zhàn)略市場、創(chuàng)新及重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)理FilippoDiGiovanni

乘聯(lián)會(huì)預(yù)測，中國市場2022 年新能源車銷量有望突破600 萬輛，同比增長70%。同時(shí)，每輛新能源汽車功率半導(dǎo)體價(jià)值量將提升至約330美元，價(jià)值占比超50%。意法半導(dǎo)體汽車和分立器件產(chǎn)品部(ADG)，功率晶體管事業(yè)部戰(zhàn)略市場、創(chuàng)新及重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)理FilippoDiGiovanni表示，鑒于電動(dòng)汽車的主驅(qū)逆變器、車載充電機(jī)、DC-DC轉(zhuǎn)換器和空調(diào)系統(tǒng)使用大量的功率器件，汽車行業(yè)將拉動(dòng)功率器件消費(fèi)增長。FilippoDiGiovanni認(rèn)為，新能源汽車需要許多不同種類的高性能半導(dǎo)體，而傳統(tǒng)燃油車不需要高性能半導(dǎo)體。電動(dòng)汽車需要主驅(qū)逆變器、車載充電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器等。所有這些系統(tǒng)都需要特殊的功率器件才能正常運(yùn)行。

功率半導(dǎo)體在新能源汽車上的應(yīng)用，來源：安森美

新能源汽車因采用更高壓平臺(tái)，功率半導(dǎo)體價(jià)值量提升十分顯著，據(jù)英飛凌報(bào)告顯示，新能源汽車中功率半導(dǎo)體器件的價(jià)值量約為傳統(tǒng)燃油車的5 倍以上。其中，IGBT約占新能源汽車電控系統(tǒng)成本的37%，是電控系統(tǒng)中最核心的電子器件之一，且電動(dòng)化程度越高，IGBT 在車中所占比例越高。IGBT 目前在AOO 級車上價(jià)格成本約500-600 元， A級車上價(jià)格成本 1200元以上， B級車上價(jià)格成本 2000元以上；其中混動(dòng)車上價(jià)格成本約為2000-3500 元，純電動(dòng)車上價(jià)格成本為 2000-4000 元，部分豪華車上單車成本在5000 元以上。

 車規(guī)功率器件設(shè)計(jì)應(yīng)遵循哪些要求？

與傳統(tǒng)的燃油車相比，新能源汽車主要是在動(dòng)力系統(tǒng)有很大的差異。傳統(tǒng)燃油車的動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)總成和變速箱總成構(gòu)成，而純電動(dòng)車使用電動(dòng)機(jī)替代了傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。中印云端（深圳）科技有限公司產(chǎn)品經(jīng)理陳志波表示，整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源車必備的零部件，里面功率器件主要是核心“心臟”IGBT模塊，占電動(dòng)汽車成本將近10％；

另外還有電驅(qū)動(dòng)小三電系統(tǒng)包括的三個(gè)總成部件：DC/DC變換器，車載充電機(jī)（OBC），高壓配電盒（PDU），目前3.3KW和6.6KWOBC主要用650V的超級結(jié)MOSFET，目前已經(jīng)有的趨勢是為了往更高功率密度發(fā)展，所以碳化硅MOS的應(yīng)用也逐漸廣泛；最后新能源汽車由于不采用內(nèi)燃機(jī)作為整車的動(dòng)力源，所以其空調(diào)系統(tǒng)也無法利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱以達(dá)到取暖/除霜的效果，所以較之增加了PTC加熱和電控空調(diào)壓縮機(jī)，這部分主要能用到IGBT單管的產(chǎn)品。

安森美中國區(qū)汽車現(xiàn)場應(yīng)用工程師夏超

此外，傳統(tǒng)燃油車中，高壓功率器件僅有少量位于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器中，而在混合動(dòng)力車型、插電式混動(dòng)車型和純電動(dòng)車型當(dāng)中，用于逆變器當(dāng)中的功率器件所占體量是點(diǎn)火器無法比擬的。安森美中國區(qū)汽車現(xiàn)場應(yīng)用工程師夏超表示，混合動(dòng)力車型、插電式混動(dòng)車型和純電動(dòng)車型需要可應(yīng)用于大功率場景的功率器件，其對功率器件的要求一般在20-200kW之間。新能源車企一般會(huì)選用導(dǎo)通壓降低、耐壓等級高、輸出功率高的功率芯片，而非用于燃油車型或輕混車型中的低壓小電流功率器件。

當(dāng)前車規(guī)級功率器件是以SiIGBT+SiFRD與碳化硅MOSFET為主，其關(guān)鍵性能參數(shù)可分為靜態(tài)參數(shù)與動(dòng)態(tài)參數(shù)兩個(gè)方面，靜態(tài)參數(shù)主要關(guān)注點(diǎn)在器件的通態(tài)壓降/電阻，動(dòng)態(tài)參數(shù)則主要是器件的開通與關(guān)斷損耗。要想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車更為優(yōu)異的續(xù)航成績，就需要使用具有更低的動(dòng)靜態(tài)損耗的功率器件。碳化硅MOSFET功率器件在電動(dòng)汽車常見的使用場景下，其參數(shù)更具競爭力。

FilippoDiGiovanni認(rèn)為，汽車功率器件的設(shè)計(jì)必須具有很好的魯棒性、可靠性和使用壽命。此外，功率器件不會(huì)干擾其他元器件和電路。在保護(hù)產(chǎn)品和消費(fèi)者方面，汽車行業(yè)有很多認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。AEC-Q101是最常見的分立器件標(biāo)準(zhǔn)，它是一套基于應(yīng)力測試認(rèn)證失敗機(jī)制的推薦標(biāo)準(zhǔn)。其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在特定測試條件下耐受封裝表面峰值電壓差或最大瞬態(tài)電壓等所需的間隙。：一般情況下，在指定驅(qū)動(dòng)模式和結(jié)溫的使用場景中，MOSFET和IGBT晶體管以及二極管等車規(guī)功率器件在規(guī)定的應(yīng)力測試條件下運(yùn)行必須安全可靠。此外，還要考慮因振動(dòng)引起的機(jī)械應(yīng)力。為了滿足這些條件，這些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)必須特別注意工業(yè)應(yīng)用。因此，車規(guī)芯片工作溫度通常較高，并且在HTRB(高溫反向偏置)等測試中，施加的電壓必須100%是最大額定值。此外，必須正視電參數(shù)的變化與制造工藝的關(guān)系，并加以控制，特別是影響功率損耗的參數(shù)(泄漏電流、導(dǎo)通電阻等)。

直流充電樁電路結(jié)構(gòu)，采用AC-DC 和 DC-DC電源模塊，來源：Wolfspeed

除了汽車本身，大規(guī)模的電網(wǎng)建設(shè)以及充電樁也是推廣新能源車必不可少的配套設(shè)施建設(shè)。2016年埃隆馬斯克收購了Solarcity之后，我們可以看到他對整個(gè)電車市場的判斷：發(fā)展電車不僅僅在于不斷升級的三大件，配套設(shè)施也是很關(guān)鍵的一部分，畢竟我們需要更大容量的電網(wǎng)和更多更快的充電樁。

安森美全球方案中心應(yīng)用市場工程師賈鵬

安森美全球方案中心應(yīng)用市場工程師賈鵬表示，發(fā)展新能源車的重要意義之一在于解決環(huán)境和能源問題，同樣的，可再生能源的發(fā)展利用也具有同樣目的。太陽能發(fā)電近年在可再生能源發(fā)電中占據(jù)領(lǐng)先地位，因?yàn)樗鉀Q了電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施薄弱或者擴(kuò)容經(jīng)濟(jì)性不高的問題。國際能源署（IEA）在2019年10月的燃料報(bào)告中提到2024年全球可再生能源發(fā)電量將增長50％，即1200GW，其中60%的增長將采用太陽能光伏（PV）設(shè)備的形式。盡管太陽能是免費(fèi)的，但如何保證能量轉(zhuǎn)換的高效一直是業(yè)界需要攻克的難題。碳化硅材料作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料被成功研發(fā)并量產(chǎn)是高效光伏逆變器的福音。碳化硅器件的優(yōu)勢始于材料本身，它具有比硅高10倍的介電擊穿場強(qiáng)，2倍的電子飽和速度，3倍的能帶間隙和3倍的熱導(dǎo)率。這讓一臺(tái)由碳化硅器件組成的光伏逆變器同時(shí)具有更大的功率密度和工作效率。同樣的，高功率高效率的充電樁也得以量產(chǎn)并使用。

目前直流充電樁通常采用15-50 kW 的AC-DC 和 DC-DC電源模塊，并根據(jù)充電位置和車輛類型進(jìn)行擴(kuò)展，以滿足更高或更低的功率需求。通過模塊的并聯(lián)堆疊組合可實(shí)現(xiàn)150 kW 快充樁以及350 kW 超充樁的功率需求。以 25kW 充電樁模塊為例，需要并聯(lián)6 個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)150kW 充電樁功率，而250kW 的充電樁需要并聯(lián)10 個(gè) 25kW功率模塊。 350kW功率的超充樁，則可以使用6 個(gè) 60kW模塊并聯(lián)，由于 60kW模塊采用更高電壓器件、更先進(jìn)的封裝和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以有效減少芯片數(shù)量并降低系統(tǒng)成本。根據(jù)Wolfspeed 數(shù)據(jù)，25kW 功率的充電樁模塊，大約需用到16-20 個(gè)1200V碳化硅MOSFET 單管。根據(jù) Yole 預(yù)測，用于直流充電器的功率電子設(shè)備總市場價(jià)值2025年將增長至 2.25億美元， 2026年將增長至 3.47億美元。

羅姆半導(dǎo)體（深圳）有限公司 技術(shù)中心 高級經(jīng)理 蘇勇錦表示，羅姆以功率器件為中心提供各種解決方案，滿足各種客戶需求。根據(jù)使用器件的不同，羅姆提供兩類充電樁解決方案。一是碳化硅器件解決方案，適用于追求高效、小型化的大功率充電樁。二是硅器件解決方案，包括相對于碳化硅器件來說性價(jià)比較好的超級結(jié)MOS和IGBT。

賈鵬表示，安森美是全球少數(shù)的幾家能提供從碳化硅襯底到模塊的端到端供應(yīng)商。安森美計(jì)劃在今年第4季度發(fā)布的25kW直流快充系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)能夠很好的幫助用戶在直流充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用了三相半橋功率因數(shù)校正(PFC)+雙有源橋(DAB)的架構(gòu)，配合安森美的1200V半橋碳化硅模塊NXH010P120MNF1，能夠最大程度上平衡系統(tǒng)性能和成本，同時(shí)安森美還會(huì)公開部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料供大家參考。

夏超介紹，目前，安森美的半導(dǎo)體產(chǎn)品應(yīng)用在汽車中的多個(gè)領(lǐng)域，包括車載充電器、高壓負(fù)載電池管理、DC-DC轉(zhuǎn)換器、高壓動(dòng)力總成、主驅(qū)逆變、48V皮帶傳動(dòng)起動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)(BSG)、ADAS、信息娛樂、車門、座椅控制等。碳化硅(碳化硅)作為第三代半導(dǎo)體的關(guān)鍵材料，能夠顯著提高電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車充電和能源基礎(chǔ)設(shè)施等重要領(lǐng)域的系統(tǒng)效率。因此，2021年8月，安森美宣布收購碳化硅晶圓供應(yīng)商GTAdvancedTechnologies(GTAT)，用以強(qiáng)化自身IDM的戰(zhàn)略布局，成為少數(shù)能提供從襯底到模塊的端到端碳化硅方案供應(yīng)商之一。

來源：安森美

安森美碳化硅功率器件包括碳化硅MOSFETs、碳化硅二極管、以及混合碳化硅模塊三類，并可選配性能更佳的壓鑄模封裝。相比于硅凝膠灌封模塊，壓鑄模封裝的主要優(yōu)勢包括可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，更低的雜散電感，更高的工作溫度(200℃甚至以上)，并可根據(jù)客戶需求實(shí)現(xiàn)差異化定制。

以VE-TracDual為例，這是安森美專為插電式混合動(dòng)力車(PHEV)、全混合動(dòng)力車(HEV)、純電池車(BEV)和燃料電池(FCEV)電動(dòng)車而設(shè)計(jì)的功率模塊，并根據(jù)主驅(qū)逆變器的應(yīng)用場景進(jìn)行了針對性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了許多創(chuàng)新，包括雙面冷卻等，使其具有高功率密度和小尺寸。安森美通過開發(fā)VE-TracDual，期待在更廣泛的電動(dòng)車中實(shí)現(xiàn)更高的能效比。

除了具備優(yōu)良的電氣和熱性能外，VE-TracDual易于功率擴(kuò)展的特性也值得關(guān)注。在具體使用中，既可以用三相全橋的模塊來實(shí)現(xiàn)150kW功率，也可以把兩個(gè)150kW模塊并聯(lián)在一起實(shí)現(xiàn)300kW功率，且不增加占位。此外，在雙面冷卻模塊中，功率芯片中還內(nèi)置了溫度和電流傳感器，以便更好的實(shí)現(xiàn)溫度檢測和電路保護(hù)。

根據(jù)規(guī)劃，安森美主驅(qū)功率封裝技術(shù)將在2023年中期從雙面間接水冷過渡到直接水冷模式，預(yù)計(jì)到2023年底會(huì)實(shí)現(xiàn)雙面直接水冷，2024年中期進(jìn)一步優(yōu)化為雙面直接水冷+方案，核心目的是為了不斷提升模塊的功率密度。

 800V高壓超充時(shí)代，碳化硅器件成主流

隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的逐步提升，當(dāng)前消費(fèi)者尤為關(guān)注電動(dòng)汽車的充電問題。市場上大致可將電動(dòng)汽車的充電模式分為慢充與快充，快充是指在短時(shí)間內(nèi)使用高功率直流充電樁為車輛補(bǔ)充電能，一般是指在半小時(shí)內(nèi)完成50%以上的充電模式，但其技術(shù)復(fù)雜且成本較高。直流充電樁通過自帶的AC/DC轉(zhuǎn)換模塊完成變壓整流，將電網(wǎng)輸入的交流電轉(zhuǎn)換為車輛蓄電池所需的直流電，功率一般在60kW以上。直流充電樁對電網(wǎng)的要求較高，需要專門建設(shè)相應(yīng)的供電網(wǎng)絡(luò)，以及配備諧波抑制等輔助設(shè)備。在電動(dòng)車輛的典型應(yīng)用場景下，快充需求多集中于長途旅行與專業(yè)化集中運(yùn)維的場景。目前，受限于導(dǎo)線的額定電流與散熱條件，快充正在向更高的充電電壓邁進(jìn)，逐步從400V向800V充電電壓加以轉(zhuǎn)換，理論上可縮短一半的充電時(shí)間。安森美(onsemi)也在積極推進(jìn)電動(dòng)汽車高壓化進(jìn)程，使有限的動(dòng)力電池空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多能量的有效存儲(chǔ)以及動(dòng)力電池的快速補(bǔ)能，有效緩解駕乘人員對電動(dòng)汽車的里程及充電焦慮，同時(shí)為客戶提供綠色高效化的能源解決方案。

小鵬G9 是國內(nèi)首款800V 高壓碳化硅平臺(tái)量產(chǎn)車型，來源：小鵬汽車官網(wǎng)

800V高壓方案已經(jīng)成為各大新能源汽車主機(jī)廠的主流選擇。目前業(yè)界已有至少10 家車企（大眾PPE平臺(tái)、奔馳 EVA、現(xiàn)代E-GMP、通用奧特能、小鵬、比亞迪e 3.0 平臺(tái)、東風(fēng)嵐圖、吉利SEA 浩瀚平臺(tái)、廣汽埃安、理想等）宣傳布局800V 高壓平臺(tái)，從量產(chǎn)時(shí)間來看，各大車企基于800V 系統(tǒng)的新車將于2022-2023 年陸續(xù)上市。其中小鵬G9是國內(nèi)首款采用 800V高壓 碳化硅 平臺(tái)的量產(chǎn)車型，將于2022 年 9月正式上市。

憑借耐高壓、耐高溫和高頻等優(yōu)越的物理特性，碳化硅 MOSFET 有望在新能源汽車800V 高壓超充時(shí)代替代Si IGBT，在主驅(qū)逆變器、充電樁、OBC等應(yīng)用場景中加速滲透。受益于新能源汽車電動(dòng)化進(jìn)程加快和國內(nèi)主機(jī)廠加強(qiáng)供應(yīng)鏈自主可控的要求，車規(guī)級功率器件的進(jìn)口替代趨勢正在形成，國內(nèi)多家碳化硅 產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)已經(jīng)在主驅(qū)、 OBC、DC-DC 等應(yīng)用領(lǐng)域得到主機(jī)廠提供的產(chǎn)品驗(yàn)證機(jī)會(huì)，部分企業(yè)成功導(dǎo)入了主機(jī)廠供應(yīng)體系。

憑借耐高壓、耐高溫和高頻等優(yōu)越的物理特性， 碳化硅 MOSFET 有望在新能源汽車 800V 高壓超充時(shí)代替代 Si IGBT，在主驅(qū)逆變器、充電樁、 OBC 等應(yīng)用場景中加速滲透。受益于新能源汽車電動(dòng)化進(jìn)程加快和國內(nèi)主機(jī)廠加強(qiáng)供應(yīng)鏈自主可控的要求，車規(guī)級功率器件的進(jìn)口替代趨勢正在形成，國內(nèi)多家 碳化硅 產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)已經(jīng)在主驅(qū)、 OBC、 DC-DC 等應(yīng)用領(lǐng)域得到主機(jī)廠提供的產(chǎn)品驗(yàn)證機(jī)會(huì)，部分企業(yè)成功導(dǎo)入了主機(jī)廠供應(yīng)體系。多年的技術(shù)演進(jìn)使Si基材料的功率器件特性已經(jīng)到達(dá)其理論極限。SiC MOSFET正在不斷更新迭代，讓未來充滿無限可能。羅姆獨(dú)特的溝槽技術(shù)演進(jìn)，不斷突破更低的RonA（即單位面積導(dǎo)通電阻）。

羅姆半導(dǎo)體（深圳）有限公司 技術(shù)中心 高級經(jīng)理 蘇勇錦

羅姆半導(dǎo)體（深圳）有限公司 技術(shù)中心 高級經(jīng)理 蘇勇錦表示，羅姆的在車載功率器件的布局范圍廣，在全球范圍的各大Tier1和整車廠的采用實(shí)績也非常豐富，并且在車載市場的知名度高。主要產(chǎn)品除了第三代半導(dǎo)體的SiC產(chǎn)品以外，還有硅基的車載IGBT和中低壓的MOSFET、功率二極管等。SiC產(chǎn)品目前已經(jīng)被大量使用在車載OBC和DC-DC上，最新推出的第4代溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET已經(jīng)在許多主機(jī)逆變器上進(jìn)行測試評估，并將在不久的將來實(shí)現(xiàn)大批量出貨。車規(guī)級IGBT產(chǎn)品已經(jīng)大批量應(yīng)用在汽車點(diǎn)火器，電動(dòng)壓縮機(jī)，OBC等產(chǎn)品上。而在車載需求不斷增加的ECU和EPS，油泵水泵等應(yīng)用上，羅姆擁有性能優(yōu)異的30V~150V的低導(dǎo)通電阻中低壓MOSFET產(chǎn)品。未來，羅姆將不斷推進(jìn)SiC工藝的演進(jìn)，開發(fā)更低單位面積導(dǎo)通電阻的第五代產(chǎn)品。并加速開發(fā)8英寸SiC襯底和晶圓的量產(chǎn)。另外，針對硅基的IGBT產(chǎn)品，羅姆將開發(fā)繼續(xù)擴(kuò)充高壓1200V的IGBT產(chǎn)品線，拓展貼片封裝產(chǎn)品，不斷為性能源汽車的高壓化和小型化，高效化做貢獻(xiàn)。

FilippoDiGiovanni也表示，除了提供各類先進(jìn)的電動(dòng)汽車用半導(dǎo)體芯片外，意法半導(dǎo)體還有很多充電基礎(chǔ)設(shè)施用半導(dǎo)體產(chǎn)品。鑒于對系統(tǒng)本身的能效的要求，充電樁和電網(wǎng)也可以采用電動(dòng)汽車用碳化硅MOSFET和二極管。據(jù)介紹，意法半導(dǎo)體正在推出的新產(chǎn)品是逆變器用IGBT晶體管，同時(shí)還提供大量各種硅基超結(jié)高壓MOSFET晶體管，被廣泛用于車載充電機(jī)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。在碳化硅MOSFET方面，意法半導(dǎo)體正在量產(chǎn)額定電壓650V、750V和1,200V的三代碳化硅產(chǎn)品。

隨著半導(dǎo)體材料正從硅材料向第二、三代半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移，碳化硅功率器件的應(yīng)用也越來越多。夏超認(rèn)為，碳化硅功率器件未來將呈現(xiàn)高結(jié)溫、高功率密度、高效率以及低損耗的技術(shù)發(fā)展趨勢。隨著封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，碳化硅芯片的高結(jié)溫優(yōu)勢會(huì)得到進(jìn)一步體現(xiàn)，同等運(yùn)行條件下，通流能力可以得到極大的提升；在同樣的電壓和電流等級下，碳化硅功率芯片相較于硅基功率芯片，其芯片面積與封裝所占體積會(huì)有很大程度地減小，器件未來會(huì)朝著更高功率密度的方向進(jìn)行發(fā)展，器件封裝的散熱設(shè)計(jì)也需要加以改進(jìn)；在大功率的應(yīng)用場景下，如電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域，碳化硅MOSFET功率器件將會(huì)以更小的運(yùn)行損耗為目標(biāo)加以迭代升級。

FilippoDiGiovanni也表示，碳化硅材料令人關(guān)注的物理屬性是比硅半導(dǎo)體更適合汽車應(yīng)用的惡劣環(huán)境。碳化硅的魯棒性更高，即使長時(shí)間工作在高溫度和高電壓下，性能不會(huì)降低衰退。導(dǎo)通電阻是任何MOSFET的關(guān)鍵參數(shù)，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)較低。這些優(yōu)勢對于設(shè)計(jì)更加皮實(shí)耐用的電動(dòng)汽車至關(guān)重要。最重要的是，在電驅(qū)系統(tǒng)中用碳化硅可以顯著提高能效，從而延長行駛里程。

意法半導(dǎo)體也是首家推出車規(guī)碳化硅MOSFET晶體管的公司，意法半導(dǎo)體的STPOWER系列已經(jīng)投入量產(chǎn)。此后，意法半導(dǎo)體在碳化硅MOSFET市場建立了穩(wěn)固的領(lǐng)導(dǎo)地位，市場份額超過50%。如今，意法半導(dǎo)體在汽車和工業(yè)領(lǐng)域有100多個(gè)碳化硅項(xiàng)目正在執(zhí)行中。意法半導(dǎo)體有自營的碳化硅襯底制造廠，采用完全垂直整合制造模式，確保客戶擁有一個(gè)穩(wěn)健性和韌性都很高的供應(yīng)鏈。除了意大利卡塔尼亞工廠外，意法半導(dǎo)體還在新加坡建立了第二個(gè)6英寸碳化硅晶圓廠，以更好地服務(wù)客戶，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)部碳化硅采購的多樣化。FilippoDiGiovanni表示，意法半導(dǎo)體首批8英寸原型流片成功，預(yù)計(jì)將在幾年后開始投產(chǎn)。

 車規(guī)級功率器件面臨的三大技術(shù)挑戰(zhàn)？

夏超認(rèn)為，與消費(fèi)級、工業(yè)級產(chǎn)品相比，車規(guī)級功率器件對環(huán)境要求、可靠性要求和供貨周期要求較高。主要體現(xiàn)在：1）環(huán)境要求：車規(guī)級功率器件的運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，需要對抗高振動(dòng)、多粉塵、多電磁干擾及寬工作溫度范圍等惡劣工況；2）可靠性要求：汽車設(shè)計(jì)壽命一般在15年或20萬公里，整車廠對車規(guī)級功率器件的要求通常是零失效；3）供貨周期要求：車規(guī)級功率器件的供貨周期需要覆蓋整車的全生命周期，供貨周期一般為15-20年；4）重新認(rèn)證要求：消費(fèi)級和工業(yè)級產(chǎn)品在制造過程中執(zhí)行一些細(xì)小的工藝變化不需要廠商對功率器件進(jìn)行重新驗(yàn)證，但對車規(guī)級功率器件來說是必須進(jìn)行相關(guān)車規(guī)級標(biāo)準(zhǔn)的重新認(rèn)證。

羅姆半導(dǎo)體（深圳）有限公司 技術(shù)中心 高級經(jīng)理 蘇勇錦表示，EV專用單元需要更高的可靠性、小型化和低功耗。其技術(shù)難度主要是如何保證車載品的“零不良”高品質(zhì)要求。不僅在功率器件的功率器件的生產(chǎn)過程中以及可靠性測試中實(shí)施比消費(fèi)級或工業(yè)級產(chǎn)品更嚴(yán)格的檢查標(biāo)準(zhǔn)，還需要從器件設(shè)計(jì)初期以及生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)“高可靠性、高品質(zhì)”。羅姆可提供SiC、IGBT為代表的功率器件，以及驅(qū)動(dòng)這些器件的柵極驅(qū)動(dòng)器IC等，可為客戶提供更好的解決方案。而且，擁有在周邊電路使用的、豐富的電源IC、晶體管、二極管、檢測電流的分流電阻器等通用產(chǎn)品。

看好新能源汽車的未來發(fā)展，目前市場上的功率器件廠商都希望能殺入車載領(lǐng)域，不過這個(gè)領(lǐng)域的競爭門檻非常高。夏超表示，車載功率器件的競爭門檻主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：相關(guān)車規(guī)級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的通過與否，產(chǎn)品的生命周期是否足夠覆蓋車輛的全壽命周期，供應(yīng)鏈的可靠程度是否足夠高，以及售后保障的及時(shí)與否。車規(guī)級功率器件當(dāng)前面臨的設(shè)計(jì)難點(diǎn)可歸結(jié)于以下三個(gè)方面，一是功率芯片的設(shè)計(jì)與制造，功率芯片的低功耗與高可靠性、高功率密度之間很難平衡；二是功率芯片封裝的全流程，需要有效解決散熱的高效性以及封裝的高可靠性等問題，保證車輛的長期可靠運(yùn)行；三是柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)的設(shè)計(jì)，旨在保證車載功率器件在多種應(yīng)用工況下的安全運(yùn)行。

夏超表示，車載功率器件相對于其它領(lǐng)域?qū)⒅饕媾R三大技術(shù)挑戰(zhàn)：首先是碳化硅功率器件對摻雜工藝有特殊要求，由于碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于Si，如果采用擴(kuò)散法進(jìn)行摻雜，此時(shí)用于掩蔽的SiO2層會(huì)出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)，且碳化硅在高溫下也會(huì)處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，所以不適合采用擴(kuò)散法進(jìn)行摻雜。碳化硅功率器件一般會(huì)選用離子注入摻雜，但在該摻雜過程中依然會(huì)造成晶圓的損傷，相關(guān)的工藝參數(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。其次是歐姆接觸的制作，在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求其接觸電阻值低，電極材料使用Ni和Al可以實(shí)現(xiàn)，但這兩種材料在100℃以上時(shí)的熱穩(wěn)定性較差。如果采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以將材料的熱穩(wěn)定性提高到600℃/100h，但其接觸電阻值遠(yuǎn)高于Ni和Al，因此要形成良好的碳化硅歐姆接觸比較難。最后是功率器件封裝材料的耐高溫特性未達(dá)到要求，碳化硅芯片可在600℃結(jié)溫下工作，但當(dāng)前功率模塊等大功率器件為了保證產(chǎn)品的可靠性，通常是采用與SiIGBT相同或相似的封裝材料與結(jié)構(gòu)，這就大大限制了碳化硅材料高結(jié)溫特性的發(fā)揮。與此同時(shí)，各家廠商也在積極使用新型材料與結(jié)構(gòu)，但其在實(shí)際場景下的工作穩(wěn)定性與可靠性還需要得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。