1 新能源汽车控制器功率器件概述


1.1 功率器件碳化硅与IGBT行业概况


▲中国新能源汽车IGBT、SiC市场规模，数据来源：Omdia
如图所示，中国新能源汽车市场IGBT、SiC市场近5年规模数据，以及未来三年的数据预测，不论斜率还是趋势，SiC市场增速和规模都优于IGBT，还没有统计光伏、家电等SiC的需求。


正是在碳排放的大背景下，功率器件前途光明，创投遍地撒钱的原因。


1.2 IGBT与SiC结构与工作原理

（1）IGBT结构


▲英飞凌IGBT7空间结构/带沟槽结构   
众所周知，绝缘栅双极型晶体管简称IGBT，是由BJT（双极结型晶体三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件。

自1985年诞生以来，虽然经历多代升级，IGBT可分为：p-IGBT和n-IGBT。

在IGBT领域，英飞凌在全球市场的位置举足轻重，目前已经发展7代，IGBT1～IGBT7, IGBT7。IGBT7采用了基于新型微沟槽（MPT）的IGBT结构。它采用基于n-掺杂的衬底的典型垂直IGBT设计。

如图所示，IGBT7里的沟槽有多种形式：其中常见的是作为有源栅极使用，栅极电压施加到沟槽，在沟槽两侧形成导电沟道。其次，MPT结构还能够实现发射极沟槽和伪栅极，两者都是无效沟槽。对于发射极沟槽来说，沟槽直接接到发射极电位。对于伪栅极来说，栅极电压施加到沟槽。但是因为这些沟槽周围没有发射极接触结构，二者均无法形成导电沟道。这三种沟槽单元类型能够精细化定制IGBT。

（2）SiC构造

第三代半导体由3C-SiC、4H- SiC、6H-SiC、GaAs等材料构成。由于4H- SiC具有更好的禁带宽度(3.26eV)、高频率特性（大于12K）、临界击穿电压（3MV/cm）、熔点（大于2100℃）、很高的电子饱和飘移率（2×107cm/s）等原因，是其成为第三代半导体的主力。

如图所示，4H-SiC是空间结构，黑色碳原子，白色硅原子。如下图所示，硅Si-MOSFET与SiC-MOSFET结构对比，我们可以看出，碳化硅和IGBT构造相似。


▲SiC空间结构 /硅S- MOSFET与SiC- MOSFET结构对比
（3）工作原理

IGBT和碳化硅的工作原理相似，都是一个三端器件，其本质就是一个开关，非通即断。控制通、断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加大于6V,一般取12V到15V时IGBT/碳化硅导通，栅源极不加电压或者是加负压时，关断，加负压就是为了可靠关断。

IGBT和碳化硅没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

1.3 碳化硅与IGBT主要特性

（1）IGBT特性


▲图1-10 英飞凌IGBT7导通时波形 
 图片
▲英飞凌IGBT7 2.5μS通断波形
如图所示，英飞凌IGBT的特性曲线，由于IGBT特性很多，导通电压和通断特性非常重要，篇幅所限，具体特性可以参考具体型号Datasheet。


（2）碳化硅特性



▲IGBT、短路碳化硅、正常碳化硅导通时间波形
碳化硅出众的特性-短路能力。这也是变频器驱动应用的关键。如图所示，IGBT、短路碳化硅、正常碳化硅导通时间波形，不难看出，碳化硅更优秀。

1.4 碳化硅器件具体优势

（1）能量损耗低

SiC模块内阻仅几毫欧，开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块，且开关频率越高，与IGBT模块的损耗差越大。

正常行驶时，采用碳化硅比采用IGBT能节约5%的电量，在制动时，如图所示，能减少能量的损耗，提升回生电力，提高续航里程，进一步解决新能源汽车的短板。


▲再生制动器获得的功率比较图，左侧为 Si，右侧为 SiC  资料来源：三菱电机
（2）更小的封装尺寸

SiC器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。

在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积缩小到IGBT模块控制器的1/4，有助于提升系统的功率密度，也为其他设备创造了更大的空间。

（3） 实现高频开关

SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍，开关频率提高1.5倍；8000V以上的临界击穿电场，克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题。

（4） 耐高温、散热能力强

SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍，可承受理论温度600℃，实际一般175℃高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。

2 SiC在特斯拉控制器上的应用

2016年特斯拉率先在Model 3上使用意法半导体的碳化硅（SiC）模组，将24颗SIC MOSFET用在逆变器模块上。

2020年以后，碳化硅引发了车企的重视和布局。

（1）特斯拉Model3 碳化硅

 特斯拉Model 3功率器件选用厂家是意法半导体生产的，型号GK026，可能是特斯拉公司定制意法半导体公司的，在官网上查不到产品信息。
根据特斯拉Model 3驱动电机的功率，大致推算出碳化硅器件是650V/100A的产品，估算出逆变器峰值相电流为715rms左右，平均每个电流178Arms。


▲特斯拉Model3 碳化硅阵列
如图所示，特斯拉Model 3 碳化硅阵列，SiC模块单元采用标准6-switches逆变器拓扑，每半桥四个并联，其正极直接连接电容的DC+，负极则采用DC-Cu bus，与母线电容的DC-进行连接，DC- Cu bus紧贴在模块的上表面(为了更清晰表示，图中去掉了电容器)。

在汽车前进和后退时，有微控制芯片DSP控制3个驱动IC，将直流DC转化成交流，产生A、B、C三相交流电，驱动电机工作；制动时，微控制芯片DSP控制控制另外3个驱动IC工作，使驱动电机变成发电机，将交流电转化成直流电，经母线给电池组充电。

（2）碳化硅模块的散热
控制器高频控制碳化硅的通断，由于碳化硅在导通的瞬间产生很大的浪涌电流，在截时有较大的反向峰值电流存在、以及工作电压高、电流大、分布电容等因素的存在，都使碳化硅温度升温快。

尽管不同厂家标定的碳化硅的工作温度在600℃左右，实际中，碳化硅的工作温度在20℃～200℃，所以要控制碳化硅的恰当工作温度。

特斯拉Model 3碳化硅采用冷却液来实现。在结构上，碳化硅模块和散热铝合金之间是一层约为25～100um的银通过烧结工艺连接起来的，保持良好的导热性。



▲特斯拉Model3碳化硅冷却
如图所示，特斯拉碳化硅模块的冷却，在实际工作中，冷却液有进出管道接口，里面有很多椭圆柱的针，高度约为16mm，间距约为1.5mm，采用“特斯拉阀”结构，和电池组的降温相似，保证碳化硅处于佳的工作温度。

（3）特斯拉Model 3控制器工作过程


▲特斯拉Model3 驱动电机控制器
如图所示，特斯拉Model 3控制器是将低压控制和高压电路集中在一个PCB版上。为了隔离安全，低压和高压母线电压采用光耦隔离，型号为Avago ACPL-C87BT-000E。电源电路为整个电路板低压电路和驱动芯片提供电压，其中变压器型号为TDK VGT22EPC-222S6A12。

插接器主要是将电压、电流、温度、旋变、车速、油门踏板、制动等信号通过CAN芯片（TI SN65HVD1040A）送入主控芯片（TI DSP TMS320F28377DPTPQ），主控芯片通过驱动芯片（ST GAP1AS）来控制功率器件碳化硅的通断，将直流电转化成交流电。为了保障系统稳定，特斯拉Model 3选用英飞凌的 SBC TLF35584QVVS2芯片对系统进行监控，确保系统可靠、稳定。

3 SiC功率器件在新能源汽车应用上存在的问题

从400V到800V，相比较传统的硅基功率半导体，碳化硅优势明显，不仅在控制器上应用，充电器也需要，但作为功率器件在新能源汽车上应用还存在三个问题。

一价格贵，比IGBT贵一个数量级，专利的费用较高，和IGBT的技术壁垒一样；

第二可靠性问题，碳化硅材料缺陷密度大，如果和“硅”标准比较，个位数的ppm级失效概率仍然偏高。虽然厂家在量产车前已经做过大量的台架和路试，已经达到了车规级的应用，但对于客户来说，用车的情况可能比厂家实验要复杂的多，他们的驾驶习惯、汽车知识等都不可能达到厂家那样的专业级，使用的过程中可能出现很多问题，所以可靠性还需要时间的检验；

第三是寿命，碳化硅是半导体，绕不开失效问题，车辆的平均寿命一般在10～15年，对碳化硅也是挑战。

4 新能源汽车功率器件的未来发展趋势

碳化硅并不是神秘的东西，而是技术的迭代。

800V充电系统和电控系统功率模块不仅有碳化硅，氮化镓、金刚石也是一个选项。碳化硅的初衷是解决新能源汽车的充电焦虑，即新能源汽车充电时间偏长和低续航的两大短板。

对于功率器件的未来，不是看800V材料的碳化硅单个的datasheet，而是从整个模块的成熟度、可靠性、寿命、成本、知识产权、软硬件的匹配等多方面找到平衡点。

伴随着新能源汽车的井喷式发展，功率器件成本的下降，更多宽禁半导体也会在中国大地遍地开花，后摩尔时代集成电路潜在颠覆的技术会不断突破，功率器件控制器硬件问题就会迎刃而解。