作為國(guó)內(nèi)第一家搭載純電動(dòng)汽車突破100萬(wàn)臺(tái)的電驅(qū)動(dòng)企業(yè)，上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司從08年就進(jìn)入該領(lǐng)域，從分體式電驅(qū)產(chǎn)品、三合一技術(shù)突破到步入寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用實(shí)踐，上海電驅(qū)動(dòng)始終緊追在技術(shù)前沿，順電驅(qū)動(dòng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)一路直行。

上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司電控研究院院長(zhǎng)陳雷表示，目前電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段，但在新能源汽車發(fā)展的大形勢(shì)下，新的需求也在為電驅(qū)系統(tǒng)指明新的發(fā)展方向。

需求導(dǎo)向 新材料成電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展突破點(diǎn)

具體而言，對(duì)駕駛體驗(yàn)的追求引出了高扭矩/高加速性能的需要，這要求電驅(qū)系統(tǒng)增加電流密度、提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能;對(duì)續(xù)航時(shí)長(zhǎng)和快速充電的追求引出了高壓化這一電動(dòng)汽車行業(yè)恒久不變的話題，碳化硅這類寬禁帶半導(dǎo)體相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

對(duì)行駛和充電安全的要求引出了對(duì)電池壽命、功能穩(wěn)定性的把控;對(duì)低噪環(huán)境的要求引出了對(duì)NVH的提升……從微觀的用戶體驗(yàn)?zāi)嫱飘a(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)目前IGBT市場(chǎng)較為成熟的情況下，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然有很大的發(fā)展空間。

如何滿足這些需求，如何在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破，創(chuàng)造新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)?這是車企和供應(yīng)商都在考慮的問題。

在陳雷看來，將整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拆開來看，半導(dǎo)體是最高級(jí)的單一零部件，作用非常關(guān)鍵，對(duì)半導(dǎo)體的選擇很大可能會(huì)影響到對(duì)這些需求的實(shí)現(xiàn)。

目前市面上有三代半導(dǎo)體材料，分別是以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代(元素)半導(dǎo)體，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代(二元/三元化合物)半導(dǎo)體;以及陳雷作重點(diǎn)介紹的第三代半導(dǎo)體。

第三代半導(dǎo)體又叫做寬禁帶半導(dǎo)體，其代表有碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)，擁有高頻、高功率、抗高輻射、光電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，適合制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，正契合新能源汽車所代表的電氣化、智能化趨勢(shì)。

值得注意的是，“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施2021年“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)，第三代半導(dǎo)體正在其列。

在電驅(qū)動(dòng)器中專門處理大功率電壓和電流的功率半導(dǎo)體，分別從損耗、封裝、可靠性三個(gè)方面影響整車?yán)m(xù)航、電機(jī)輕量化、電機(jī)壽命。

以碳化硅為例，陳雷從三個(gè)方面說明了寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用會(huì)帶來的變化。

相較Si IGBT 碳化硅上車有何不同

從損耗看，功率半導(dǎo)體的損耗大小直接決定電機(jī)控制器的效率，從而影響電池容量，進(jìn)而決定續(xù)航。

功率器件在運(yùn)行中產(chǎn)生兩種損耗，一種是通態(tài)損耗，在功率器件處于正向?qū)ǖ那闆r下，通過功率器件的正向壓降與正向電流的積，即稱為通態(tài)耗損。

另一種叫做開關(guān)損耗，不論頻率和速度，開關(guān)過程中，電流和電壓變化總會(huì)產(chǎn)生損耗，也分為開通損耗和關(guān)斷損耗。

通態(tài)損耗中，相比Si IGBT，碳化硅在同樣的封裝下會(huì)具有一定的優(yōu)勢(shì)。主要原因在于碳化硅器件本身的電阻特性，而IGBT是雙極性的器件，雙極性的器件存在VCE0的電壓，而電阻特性沒有這種壓降。

因?yàn)閂CE0電壓的存在，在小電流的情況里，IGBT的器件壓降更大，碳化硅更小，產(chǎn)生損耗相對(duì)更低。將類似規(guī)格的碳化硅和Si IGBT對(duì)比，大電流的情況下導(dǎo)通壓降相差20%-30%，小電流的情況下，相應(yīng)的損耗會(huì)相差數(shù)倍。

就開關(guān)損耗而言，碳化硅的優(yōu)勢(shì)在于開關(guān)速度更快，這意味開關(guān)損耗相應(yīng)程度的降低。

一般來說，對(duì)于1200V的碳化硅，開關(guān)時(shí)電壓電流變化的時(shí)間在100-200nm之間，而1200V的硅，其時(shí)間則在在300-400nm之間。

就封裝而言，半導(dǎo)體的大小、散熱冷卻的形式會(huì)直接影響到電機(jī)控制器的功率密度，進(jìn)而影響到整車輕量化和構(gòu)架。

目前市面上的封裝多樣：從多合一的全橋形式到半橋形式;果凍膠布到塑封;還有單面散熱或者雙面散熱的封裝。

封裝是根據(jù)功率器件屬性來進(jìn)行的，市面上比較流行的還是400V為主的小功率型封裝模式。但是從高壓化的未來趨勢(shì)來看，封裝的散熱性、電感、批量應(yīng)用、兼容性在將來都會(huì)有大的提升。

還有可靠性。芯片本身和封裝的可靠性都很關(guān)鍵。傳統(tǒng)Si IGBT使用鋁線就能夠滿足功率循環(huán)等要求，但為了增強(qiáng)電流密度，使用過電能力更強(qiáng)、發(fā)熱更小的銅可以降低溫度，進(jìn)而提高功率循環(huán)的次數(shù)。

最后是碳化硅的焊接層應(yīng)用。相較于硅，碳化硅的熱膨脹系數(shù)更大，在器件的邊緣導(dǎo)致的熱應(yīng)力更大，隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng)，在功率循環(huán)過程中會(huì)產(chǎn)生分層，甚至在焊料上出現(xiàn)空洞，這些空洞帶來的直接結(jié)果就是熱阻升高，熱傳導(dǎo)能力下降，散熱變差。

這一問題已經(jīng)在目前的技術(shù)進(jìn)步中得到了解決，相比于傳統(tǒng)焊料焊接，目前使用的銀漿燒結(jié)工藝擁有數(shù)倍以上的功率循環(huán)壽命，還可以承受更高的工作溫度。

助力碳化硅上車 上海電驅(qū)動(dòng)布局六年

2016年，上海電驅(qū)動(dòng)開始做基于商用車的碳化硅控制器樣件。兩年之后，研發(fā)步入開發(fā)基于雙面冷卻的碳化硅控制器，并對(duì)其進(jìn)行了乘用車和商用車的整車驗(yàn)證。陳雷表示，這段時(shí)間雖然開發(fā)速度快，但總體效率提升不明顯。

2020年開始，研發(fā)基于量產(chǎn)的碳化硅控制器項(xiàng)目，將在2023年SOP。同時(shí)陳雷表示，S基于800V平臺(tái)功率更大的碳化硅控制器，也適用于運(yùn)行里程更高的商用車，可以使這類控制器有助于節(jié)省電量和提高經(jīng)濟(jì)效益。

碳化硅器件會(huì)首先應(yīng)用在比較高端的車型，尤其是應(yīng)用800V平臺(tái)的車型上，這幾乎算是一個(gè)行業(yè)共識(shí)。

一方面，基于更快速的充電考慮，使用碳化硅器件后，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗都會(huì)降低，同樣的開發(fā)效率下，應(yīng)用于800V系統(tǒng)中，功率器件開關(guān)損耗降低的比例更大，這有助于提升系統(tǒng)效率。

另一方面，碳化硅尚未達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)能，這也是其尚未大量應(yīng)用于市場(chǎng)的主要原因。原料在達(dá)到規(guī)模化產(chǎn)能之后，良率提升，產(chǎn)品單價(jià)降低，從而獲得市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。陳雷看來，在量化產(chǎn)出和使用后，碳化硅可能獲得一定的成本優(yōu)勢(shì)。或許可以用于A級(jí)或更小的車上。

結(jié)合上海電驅(qū)動(dòng)對(duì)于碳化硅的具體研發(fā)來看，這類材料的實(shí)際應(yīng)用仍然存在部分技術(shù)挑戰(zhàn)。

碳化硅上車有多難?技術(shù)問題仍待解決

首先是EMC(電磁兼容性)性能的問題，在高的開關(guān)速度下，dv/dt及di/dt更高，容易產(chǎn)生電磁干擾，經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展，EMC對(duì)于Si IGBT已不是難點(diǎn)，但要拓新碳化硅材料必須重提多級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)。

可靠性的問題也不可忽視，陳雷表示，目前應(yīng)用碳化硅器件的數(shù)量和實(shí)際使用碳化硅器件的時(shí)間都不夠長(zhǎng)，對(duì)碳化硅器件的可靠性要額外重視。

硅基IGBT目前發(fā)展比較成熟，一般耐壓都能夠達(dá)到正負(fù)20V的等級(jí)。然而，碳化硅在耐壓部分會(huì)遇上挑戰(zhàn)，特別是對(duì)負(fù)壓部分，可能只能承受負(fù)6V-負(fù)10V的電壓。

除此以外，與硅質(zhì)材料不同，碳化硅材料器件的應(yīng)用也會(huì)帶來功率循環(huán)、溫度循環(huán)方面的挑戰(zhàn)。

要?jiǎng)?chuàng)新，必然遇到門檻。總的來說，寬禁帶半導(dǎo)體是需求導(dǎo)向，技術(shù)先行的典例。在新能源、智能化的發(fā)展趨勢(shì)下，在相對(duì)成熟的Si IGBT行業(yè)中尋找新的技術(shù)突破點(diǎn)，營(yíng)造經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，需要上海電驅(qū)動(dòng)這樣的企業(yè)勇敢嘗試、積極進(jìn)步。

但不可忽視的是，助力碳化硅上車，讓新材料性能最大化，需要系統(tǒng)性和長(zhǎng)期性的努力，只有上下游并行發(fā)展，才能推動(dòng)新材料進(jìn)市場(chǎng)，進(jìn)而推動(dòng)行業(yè)革新。

(以上內(nèi)容來自上海電驅(qū)動(dòng)股份有限公司電控研究院院長(zhǎng)陳雷在2022年6月24日由蓋世汽車主辦的2022中國(guó)汽車電驅(qū)動(dòng)與關(guān)鍵技術(shù)云論壇發(fā)表的《寬禁帶半導(dǎo)體在電機(jī)控制器中的應(yīng)用》主題演講。)

關(guān)鍵詞： 純電動(dòng)汽車 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 新能源汽車 電池壽命