作為國內(nèi)第一家搭載純電動汽車突破100萬臺的電驅動企業(yè)，上海電驅動股份有限公司從08年就進入該領域，從分體式電驅產(chǎn)品、三合一技術突破到步入寬禁帶半導體的應用實踐，上海電驅動始終緊追在技術前沿，順電驅動行業(yè)發(fā)展趨勢一路直行。

上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷表示，目前電驅動系統(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)展的大形勢下，新的需求也在為電驅系統(tǒng)指明新的發(fā)展方向。

需求導向 新材料成電驅系統(tǒng)發(fā)展突破點

具體而言，對駕駛體驗的追求引出了高扭矩/高加速性能的需要，這要求電驅系統(tǒng)增加電流密度、提高動態(tài)響應性能;對續(xù)航時長和快速充電的追求引出了高壓化這一電動汽車行業(yè)恒久不變的話題，碳化硅這類寬禁帶半導體相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

對行駛和充電安全的要求引出了對電池壽命、功能穩(wěn)定性的把控;對低噪環(huán)境的要求引出了對NVH的提升……從微觀的用戶體驗逆推產(chǎn)品發(fā)展趨勢，會發(fā)現(xiàn)目前IGBT市場較為成熟的情況下，電驅動系統(tǒng)仍然有很大的發(fā)展空間。

如何滿足這些需求，如何在這些領域實現(xiàn)技術突破，創(chuàng)造新的經(jīng)濟增長點?這是車企和供應商都在考慮的問題。

在陳雷看來，將整個電驅動系統(tǒng)拆開來看，半導體是最高級的單一零部件，作用非常關鍵，對半導體的選擇很大可能會影響到對這些需求的實現(xiàn)。

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

第三代半導體又叫做寬禁帶半導體，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，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。

值得注意的是，“十四五”國家重點研發(fā)計劃啟動實施2021年“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點專項，第三代半導體正在其列。

在電驅動器中專門處理大功率電壓和電流的功率半導體，分別從損耗、封裝、可靠性三個方面影響整車續(xù)航、電機輕量化、電機壽命。

以碳化硅為例，陳雷從三個方面說明了寬禁帶半導體的應用會帶來的變化。

相較Si IGBT 碳化硅上車有何不同

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

功率器件在運行中產(chǎn)生兩種損耗，一種是通態(tài)損耗，在功率器件處于正向導通的情況下，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。

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

通態(tài)損耗中，相比Si IGBT，碳化硅在同樣的封裝下會具有一定的優(yōu)勢。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。

因為VCE0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)生損耗相對更低。將類似規(guī)格的碳化硅和Si IGBT對比，大電流的情況下導通壓降相差20%-30%，小電流的情況下，相應的損耗會相差數(shù)倍。

就開關損耗而言，碳化硅的優(yōu)勢在于開關速度更快，這意味開關損耗相應程度的降低。

一般來說，對于1200V的碳化硅，開關時電壓電流變化的時間在100-200nm之間，而1200V的硅，其時間則在在300-400nm之間。

就封裝而言，半導體的大小、散熱冷卻的形式會直接影響到電機控制器的功率密度，進而影響到整車輕量化和構架。

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來看，封裝的散熱性、電感、批量應用、兼容性在將來都會有大的提升。

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

最后是碳化硅的焊接層應用。相較于硅，碳化硅的熱膨脹系數(shù)更大，在器件的邊緣導致的熱應力更大，隨著使用時間的加長，在功率循環(huán)過程中會產(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果就是熱阻升高，熱傳導能力下降，散熱變差。

這一問題已經(jīng)在目前的技術進步中得到了解決，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 上海電驅動布局六年

2016年，上海電驅動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，并對其進行了乘用車和商用車的整車驗證。陳雷表示，這段時間雖然開發(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)的碳化硅控制器項目，將在2023年SOP。同時陳雷表示，S基于800V平臺功率更大的碳化硅控制器，也適用于運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)濟效益。

碳化硅器件會首先應用在比較高端的車型，尤其是應用800V平臺的車型上，這幾乎算是一個行業(yè)共識。

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

另一方面，碳化硅尚未達到規(guī)?；a(chǎn)能，這也是其尚未大量應用于市場的主要原因。原料在達到規(guī)模化產(chǎn)能之后，良率提升，產(chǎn)品單價降低，從而獲得市場優(yōu)勢。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。或許可以用于A級或更小的車上。

結合上海電驅動對于碳化硅的具體研發(fā)來看，這類材料的實際應用仍然存在部分技術挑戰(zhàn)。

碳化硅上車有多難?技術問題仍待解決

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)過多年技術發(fā)展，EMC對于Si IGBT已不是難點，但要拓新碳化硅材料必須重提多級濾波器的設計。

可靠性的問題也不可忽視，陳雷表示，目前應用碳化硅器件的數(shù)量和實際使用碳化硅器件的時間都不夠長，對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，一般耐壓都能夠達到正負20V的等級。然而，碳化硅在耐壓部分會遇上挑戰(zhàn)，特別是對負壓部分，可能只能承受負6V-負10V的電壓。

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

要創(chuàng)新，必然遇到門檻?？偟膩碚f，寬禁帶半導體是需求導向，技術先行的典例。在新能源、智能化的發(fā)展趨勢下，在相對成熟的Si IGBT行業(yè)中尋找新的技術突破點，營造經(jīng)濟增長點，需要上海電驅動這樣的企業(yè)勇敢嘗試、積極進步。

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)性和長期性的努力，只有上下游并行發(fā)展，才能推動新材料進市場，進而推動行業(yè)革新。

(以上內(nèi)容來自上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷在2022年6月24日由蓋世汽車主辦的2022中國汽車電驅動與關鍵技術云論壇發(fā)表的《寬禁帶半導體在電機控制器中的應用》主題演講。)

關鍵詞： 純電動汽車 電驅動系統(tǒng) 新能源汽車 電池壽命