汽車行業(yè)正在經(jīng)歷從內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車到電動(dòng)汽車（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)汽車將達(dá)到新車總銷量的2030%[1,2]。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)汽車的接受度也在不斷提高。

本文討論了在電動(dòng)汽車電力電子系統(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)汽車能夠?qū)崿F(xiàn)更長的行駛里程、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)是通過利用SiC高度差異化的材料特性來設(shè)計(jì)更高效、更堅(jiān)固和緊湊的動(dòng)力總成系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。

提高功率密度，提高性能

雖然通過增加電池容量（也稱為能量密度）來降低電池成本方面取得了重大進(jìn)展，但電動(dòng)汽車動(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。這是通過利用SiC電源開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，特別是在動(dòng)力總成系統(tǒng)中的車載充電器（OBC）和牽引逆變器中[3]。

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。

更高的開關(guān)頻率：基于SiC的功率器件還能夠?qū)㈤_關(guān)頻率提高10倍，牽引逆變器至少為20 kHz，OBC的開關(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。圖1總結(jié)了使用SiC電源開關(guān)的電力電子設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

800 V架構(gòu)：減少行駛里程焦慮、成本和充電時(shí)間

利用SiC器件更高的電壓可持續(xù)性和載流能力，OEM越來越多地轉(zhuǎn)向800 V架構(gòu)[4]。這種架構(gòu)使消費(fèi)者受益，因?yàn)樗鼫p輕了對(duì)行駛里程的焦慮并縮短了充電時(shí)間。

對(duì)于給定的電池容量，在牽引逆變器系統(tǒng)中，SiC功率開關(guān)的效率比IGBT提高了10%。可以利用SiC器件降低的功率損耗來降低電池的成本和尺寸。對(duì)于相同的功率水平，由于800 V與400 V的電流要求較低，布線重量和成本顯著降低。此外，更高的電壓減少了電機(jī)繞組中對(duì)大量銅的需求。這允許更小的電機(jī)設(shè)計(jì)。所有這些組件尺寸和重量的減輕都有助于降低電動(dòng)汽車的成本，為電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的成本平價(jià)（或更好）做出了重大貢獻(xiàn)。對(duì)于可以在800 V和更高電流下適應(yīng)更大功率水平的豪華車，其OBC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間。

晶圓級(jí)襯底制造

未來五年，SiC的最大市場(chǎng)是電力電子開關(guān)的電動(dòng)汽車市場(chǎng)。為了跟上電動(dòng)汽車市場(chǎng)的增長軌跡，SiC市場(chǎng)的增長速度預(yù)計(jì)將是電動(dòng)汽車市場(chǎng)的兩倍[2]。在過去的幾十年中，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了挑戰(zhàn)。SiC基板制造過程中出現(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)分開來。展望未來，這些基板供應(yīng)商已經(jīng)將目光投向了未來幾年的200毫米。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)可靠性測(cè)試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動(dòng)汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場(chǎng)及各重點(diǎn)科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

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審核編輯：湯梓紅