汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷從內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車(chē)到電動(dòng)汽車(chē)（EV）的前所未有的轉(zhuǎn)型。在全球遏制二氧化碳排放的法規(guī)的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到45年，電動(dòng)汽車(chē)將達(dá)到新車(chē)總銷(xiāo)量的2030%。在強(qiáng)制性法規(guī)不斷發(fā)展的背景下，消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的接受度也在不斷提高。

本文討論了在電動(dòng)汽車(chē)電力電子系統(tǒng)中快速采用碳化硅（SiC）和寬帶隙半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的好處，以及晶圓級(jí)襯底制造的價(jià)值。基于SiC的電力電子設(shè)備使電動(dòng)汽車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)的行駛里程、更快的充電速度和更低的系統(tǒng)級(jí)總擁有成本。這些優(yōu)勢(shì)是通過(guò)利用SiC高度差異化的材料特性來(lái)設(shè)計(jì)更高效、更堅(jiān)固和緊湊的動(dòng)力總成系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

提高功率密度，提高性能

雖然通過(guò)增加電池容量（也稱為能量密度）來(lái)降低電池成本方面取得了重大進(jìn)展，但電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成的功率密度也在增加，功率密度定義為功率效率與整體尺寸的比率，并且整體尺寸、重量和成本都在下降。這是通過(guò)利用SiC電源開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，特別是在動(dòng)力總成系統(tǒng)中的車(chē)載充電器（OBC）和牽引逆變器中。

以下是基于SiC的電力電子器件的主要優(yōu)勢(shì)：

能夠在更高的溫度下工作：與傳統(tǒng)的硅基器件相比，SiC功率器件可以在更高的溫度下工作，無(wú)需冷卻組件和笨重的散熱器材料。隨著功率水平的提高（例如，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的牽引逆變器中），由于最大工作溫度限制和允許結(jié)溫，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等硅功率器件的熱管理變得具有挑戰(zhàn)性。這一挑戰(zhàn)需要在動(dòng)力總成系統(tǒng)中集成冷卻組件，例如帶有水套的大型銅塊，尤其是在功率水平可能高于100 kW的牽引逆變器中。這些冷卻組件增加了車(chē)輛尺寸、重量和成本。相反，SiC的允許結(jié)溫要高得多，為175°C及以上。此外，SiC的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的兩到三倍。

更高的載流能力：SiC功率器件可承載比硅功率器件高五倍的電流密度。這允許每個(gè)芯片的功率密度更高，從而實(shí)現(xiàn)更小的器件和更緊湊的封裝。

更高的開(kāi)關(guān)頻率：基于SiC的功率器件還能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)頻率提高10倍，牽引逆變器至少為20 kHz，OBC的開(kāi)關(guān)頻率至少為<>kHz。在這些更高的頻率下，電容器和電感器等無(wú)源元件的尺寸可以大大減小，從而使系統(tǒng)整體尺寸顯著縮小。

高耐壓：SiC還可實(shí)現(xiàn)更高的耐壓、功率和開(kāi)關(guān)效率，從而可以設(shè)計(jì)出損耗顯著降低的大功率牽引逆變器。

對(duì)于給定的功率水平和電池容量，SiC功率器件的尺寸可以更小，這轉(zhuǎn)化為帶有集成動(dòng)力總成系統(tǒng)的EV子系統(tǒng)的組件。例如，在某些設(shè)計(jì)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)和牽引逆變器被集成到一個(gè)一體式解決方案中，進(jìn)一步減小了尺寸、重量和成本。通過(guò)消除或最小化用于冷卻的機(jī)械塊以及用于被動(dòng)元件和外殼的材料量，也可以在系統(tǒng)級(jí)別降低成本。

晶圓級(jí)襯底制造

未來(lái)五年，SiC的最大市場(chǎng)是電力電子開(kāi)關(guān)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。為了跟上電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的增長(zhǎng)軌跡，SiC市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度預(yù)計(jì)將是電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的兩倍[2]。在過(guò)去的幾十年中，SiC制造工藝中最重要的改進(jìn)之一是以低成本生產(chǎn)無(wú)缺陷的晶圓級(jí)基板。

眾所周知，增加晶圓尺寸可以顯著降低器件的成本。然而，增加晶圓尺寸給消除缺陷帶來(lái)了挑戰(zhàn)。SiC基板制造過(guò)程中出現(xiàn)的主要缺陷是堆垛故障、微管、凹坑、劃痕、污漬和表面顆粒。所有這些缺陷都會(huì)對(duì)SiC器件的性能產(chǎn)生不利影響。此外，150毫米晶圓上更頻繁地出現(xiàn)更高水平的缺陷率，這是當(dāng)今SiC制造中最普遍的晶圓尺寸。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研發(fā)，只有少數(shù)供應(yīng)商掌握了生產(chǎn)高質(zhì)量、無(wú)缺陷的150毫米晶圓的藝術(shù)。這使得供應(yīng)鏈能夠大批量生產(chǎn)功率器件，并利用SiC的優(yōu)越特性，這些特性已經(jīng)存在了一段時(shí)間，如今使用無(wú)缺陷晶圓。僅生產(chǎn)這種高良率的高質(zhì)量晶圓，就可以將少數(shù)SiC晶圓級(jí)襯底供應(yīng)商與功率SiC供應(yīng)鏈中的其他供應(yīng)商區(qū)分開(kāi)來(lái)。展望未來(lái)，這些基板供應(yīng)商已經(jīng)將目光投向了未來(lái)幾年的200毫米。

審核編輯：彭菁