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还记得两年前北京车展上，我们在博世的展台参观。包括各种电驱动、ADAS传感器、氢燃料电池等等“高大上”的展品，多得让人看不过来。但博世在介绍他们技术时，却对一块装在玻璃盒子里，大小手指差不多的黑色芯片异常重视——SiC碳化硅功率器件。在近两年技术产品发布上，“SiC碳化硅”成为所有跨国零部件供应商和主机厂的经常提起的明星产品，包括麦格纳、博格华纳、马勒、大陆集团等等，都纷纷宣称他们用了碳化硅。例如奔驰今年初的发布的EQXX，就宣称：“搭载最大功率150kW的后桥电机，应用了碳化硅功率模块，进一步降低了损耗。”举个例子，现在很多人手机都用上了“氮化镓”充电器，这种新材料充电器体积非常小，但发热小充电效率很高。而汽车用SiC碳化硅就是与消费电器里氮化镓一样神奇的功率半导体。首先说说SiC碳化硅的作用。一辆电动车充电的时候，它需要把交流电转换成直流电，然后存储在锂电池中。锂电池中的高压直流转化为交流电，然后提供交流电动机使用。上面这些交流—直流—交流等复杂的变换过程，我们称为整流或逆变，很不幸这个过程都需要发热，都会产生功率损耗。电动汽车涉及功率半导体的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件在某些关键的主逆变器（例如电驱动）上，叠加高压电流，SiC碳化硅依然比IGBT有绝对优势。SiC碳化硅的强大的性能，要归功于小小的碳原子。SiC碳化硅能让原材料支持更高的切换频率。麦格纳 EtelligentReach 下一代全轮电驱动碳化硅半导体热能损失仅有纯硅芯片的一半，因此能够提高电动汽车的行驶里程。像未来电动车800伏电压系统中，碳化硅能立竿见影要加快充电速度、提升产品性能。而且还能节约动力电子设备冷却成本、减轻电动汽车自身的重量。例如博世的碳化硅功率器件，与传统硅基材料产品相比（IGBT），能保持较低能量损耗和较小芯片面积，为电动汽车和混合动力汽车增加高达6%的续航里程。国内市场上一些最先进的电动车，其实已经应用了SiC碳化硅功率模块。例如特斯拉的 Model 3 的主电驱逆变器采用了SiC MOSFET。2021 年发布的新车型中，像蔚来 ET7第二代电驱，小鹏的 G9，长城的机甲龙都采用到SiC碳化硅模块。每个模块里面由若干SiC芯片封装组成。比亚迪在2020 年发布的汉EV高性能四驱版，是国内首款采用自研 SiC碳化硅模块的车型，供应商是自家的比亚迪半导体。比亚迪半导体的SiC 碳化硅功率模块是一款三相全桥拓扑结构，主要应用于新能源汽车电机驱动控制器。比亚迪宣称是“全球首家、国内唯一实现在电机驱动控制器中大批量装车的 SiC 三相全桥模块。”比亚迪SiC功率模块输出功率可达250kW以上，与同功率水平的IGBT相比，模块体积可以缩小一半以上。可以想像的是，未来汽车都会电动化，那么对SiC碳化硅功率器件的需求是庞大的。市场调研咨询公司Yole发布的预测显示，从现在到2025年，碳化硅市场每年的增速将达到30%，市场规模将超过25亿美元。当规模达到15亿美元时，搭载碳化硅器件的汽车将占据市场主导地位。而功率半导体SiC碳化硅和IGBT量产化，集中在德国英飞凌 Infineon，恩智浦 NXP，意法半导体 STM，安森美 ON semi等少数几家，特别是英飞凌的优势很明显。国内目前能够实现自主研发到量产的厂商是比亚迪，旗下的比亚迪半导体产品包含了主流的IGBT，以及高端产品SiC碳化硅MOFEST等，覆盖十分全面。比亚迪半导体SiC车用功率模块，结构十分紧凑，仅一个手掌大小，输出功率250KW。自产SiC功率半导体也让比亚迪电动车在电机驱动上带来明显的效率提升，并使电机驱动控制器体积减小60%以上。正是因为SiC碳化硅的重要性，汽车零部件排名第一的博世，两年前宣布将继续推进碳化硅芯片研发并实现量产。博世的量产不仅是SiC封装的模块，而是从最基础的晶圆、芯片开始大批量生产。2021年博世已在罗伊特林根晶圆工厂增建了1000平方米无尘车间，2023年底还将新建3000平方米无尘车间。目前使用的150毫米晶圆，而很快计划使用200毫米晶圆制造，单个晶圆需花费数月时间才能在无数机器设备中完成上百个工艺步骤。博世将继续扩大碳化硅功率半导体的产能，计划将产出提高至上亿颗的水平。同时着手研发功率密度更高的第二代碳化硅芯片，预计将于2022年投入大规模量产。未来要实现我们电动车的“弯道超车”梦，必须在关键技术上有突破。而对于电动车来说，SiC碳化硅功率芯片，是我们最需要突破的技术。
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