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? ? ? ?碳化硅（SiC），是一種硬度僅次于金剛石的半導(dǎo)體。“晶體雖小，本領(lǐng)可不小?！碧蓟韫β势骷哂懈吣蛪?、低損耗、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異性能，可以有效實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化，是新能源汽車(chē)、5G通訊、智能電網(wǎng)等未來(lái)支柱產(chǎn)業(yè)必不可少的核心半導(dǎo)體原料。晶體雖好，但要打破國(guó)外的壟斷很不容易?！闭莆粘墒旃に嚨纳贁?shù)國(guó)家一直實(shí)施嚴(yán)格的科技壁壘政策，想要在競(jìng)爭(zhēng)中取勝，自主研發(fā)是唯一的制勝法門(mén)。目前，已能自主研發(fā)制造5N碳化硅微粉和6英寸雙坩堝碳化硅單晶爐，一臺(tái)單晶爐可同時(shí)生長(zhǎng)兩個(gè)晶體，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵設(shè)備的空白。
碳化硅SiC：純電動(dòng)汽車(chē)BEV動(dòng)力總成邁向成功的基石
根據(jù)各方面所預(yù)計(jì)，電動(dòng)汽車(chē) EV 市場(chǎng)正在迅速增長(zhǎng)。國(guó)際能源署 2019 年電動(dòng)汽車(chē) EV 展望報(bào)告指出，2018 年全球電動(dòng)汽車(chē) EV 數(shù)量超過(guò) 510 萬(wàn)輛，比前一年增加 200 萬(wàn)輛。此外，截止到 2018 年年底，電動(dòng)公共汽車(chē)、輕型商用車(chē) (LCV)、電動(dòng)兩輪車(chē)的數(shù)量分別為 46 萬(wàn)輛、25 萬(wàn)輛和 2.6 億輛。電動(dòng)汽車(chē) EV 在同年的總耗電量約為 58 TWh。如果與相同數(shù)量的內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車(chē)輛相比，則相當(dāng)于減少了 3,600 萬(wàn)噸二氧化碳排放。[1]預(yù)計(jì)這一綠色環(huán)保的趨勢(shì)將繼續(xù)保持下去。Research and Markets 等分析機(jī)構(gòu)估計(jì)，2020-2030 年全球電動(dòng)汽車(chē) EV 市場(chǎng)份額將增長(zhǎng) 19.8，達(dá)到近 1.3 萬(wàn)億美元。[2]電動(dòng)汽車(chē) EV 動(dòng)力總成強(qiáng)大、輕量、高效的純電動(dòng)汽車(chē) BEV 動(dòng)力總成使得我們向全電動(dòng)交通工具方向的邁進(jìn)成為可能。

該動(dòng)力總成（圖 1）包括：
?1、一個(gè)車(chē)載充電機(jī)，帶有AC/DC轉(zhuǎn)換器（將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為直流中間電壓）和DC/DC模塊（將直流轉(zhuǎn)換為給電池快速充電所需的電壓）。充電機(jī)還能通過(guò)再生制動(dòng)，將回收的能量輸送到電池。理想情況下，充電機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向充電功能，以便能夠利用未來(lái)的智能電網(wǎng)，并根據(jù)需要將能量輸送回電網(wǎng)或家庭。
?2、一個(gè)電池組。
?3、一個(gè)逆變器，它是動(dòng)力傳動(dòng)的一部分，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)（通常是永磁同步電機(jī) [PMSM] 或感應(yīng)電機(jī)）。
碳化硅SiC：純電動(dòng)汽車(chē)BEV動(dòng)力總成邁向成功的基石
圖 1：純電動(dòng)汽車(chē) BEV 動(dòng)力總成包括車(chē)載充電機(jī)（電池左側(cè)）、電池本身和動(dòng)力傳動(dòng)（包含驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī) [電池右側(cè)] 的逆變器）。純電動(dòng)汽車(chē) BEV 市場(chǎng)的成功與否，關(guān)鍵在于汽車(chē)制造商能否解決消費(fèi)者的“續(xù)航里程焦慮”。要增加純電動(dòng)汽車(chē) BEV 的續(xù)航里程（即兩次充電之間可行駛的距離），汽車(chē)制造商可通過(guò)增加電池尺寸、提高系統(tǒng)效率、減輕重量或?qū)嵤┧羞@些措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) Adamas Inbligence 稱(chēng)，特斯拉在部署電池容量方面占據(jù)主導(dǎo)地位，原因是特斯拉的純電動(dòng)汽車(chē)BEV使用 60 到 100 kWh 的電池，相比之下，2019 年上半年售出的所有電動(dòng)汽車(chē) EV （純電動(dòng)汽車(chē)BEV和所有其他類(lèi)型）的全球銷(xiāo)售加權(quán)平均電池容量為 19.7 kWh。[3] 隨著新款沃爾沃 XC40? Crossover（配備 78 kWh 電池組）、2020 款梅賽德斯-奔馳 EQC（80 kWh）、2019 款?yuàn)W迪 E-Tron（95 kWh）和 2019 款日產(chǎn) Leaf Plus（62 kWh）的面世，全球發(fā)展趨勢(shì)正在迎頭趕上。然而，額外的電池容量也增加了純電動(dòng)汽車(chē) BEV 的重量和成本。因此，減輕動(dòng)力總成的重量并提高效率，可以進(jìn)一步增加純電動(dòng)汽車(chē) BEV 續(xù)航里程或控制成本。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)是碳化硅 SiC。與傳統(tǒng)硅 Si 技術(shù)相比，碳化硅 SiC 器件可提供：
?●比 硅 Si 低 2 到 3 倍的導(dǎo)通壓降
?●額定溫度下，比硅 Si 更低的漏電流
?●開(kāi)關(guān)時(shí)更高的邊緣速率（由于是多數(shù)載流子器件）
?●比硅 Si 高 10 倍的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得相同封裝的碳化硅 SiC 器件能夠承受更高的電壓
?●更高的熱導(dǎo)性，能夠在更高的芯片溫度下實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行
?減輕重量
?將動(dòng)力總成的部件保持在一個(gè)安全的工作溫度范圍內(nèi)需要借助冷卻系統(tǒng)，而這會(huì)大大增加純電動(dòng)汽車(chē) BEV 的行車(chē)自重。碳化硅 SiC 的高熱導(dǎo)性有助于更快帶走熱量，而且碳化硅 SiC 器件能夠在更高溫度下工作，從而減輕與散熱解決方案有關(guān)的壓力。碳化硅 SiC 器件工作的開(kāi)關(guān)頻率比硅 Si 器件高 100 到 1,000 倍。這可減小轉(zhuǎn)換器中所需磁性元件的尺寸，進(jìn)而減小系統(tǒng)尺寸和重量。例如，純電動(dòng)汽車(chē) BEV 硅 Si 基動(dòng)力傳動(dòng)重量可能超過(guò) 15 kg。而高性能碳化硅 SiC 基逆變器重量可減少 6 kg，體積可縮小 43。[4]提高效率碳化硅 SiC 的開(kāi)關(guān)頻率更高，固有損耗更低，能夠提高系統(tǒng)效率。在雙向車(chē)載充電機(jī)中，碳化硅 SiC 允許使用圖騰柱 PFC 拓?fù)?，與硅 Si 基器件所能實(shí)現(xiàn)的相比，既高效又具成本效益。DC/DC側(cè)的開(kāi)關(guān)頻率在 150 kHz 到 300 kHz 之間，比硅 Si 基電路最多可快 3 倍。這種 6.6 kW 充電機(jī)的參考設(shè)計(jì)使用了 16 顆碳化硅 SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 的最新碳化硅 SiC 系列，峰值效率可超過(guò) 96。[5]逆變器設(shè)計(jì)革新動(dòng)力傳動(dòng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，功率范圍從 90 kW 到 350 kW 以上，且無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可循。但是，碳化硅 SiC 具有效率高、尺寸更小和重量更低的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)可以擴(kuò)展到純電動(dòng)汽車(chē) BEV 動(dòng)力傳動(dòng)中的逆變器，而且這已通過(guò)測(cè)試得到了很好的驗(yàn)證。根據(jù)德?tīng)柛?duì)基于碳化硅 SiC 和基于 IGBT 的 200 kW 逆變器進(jìn)行的一項(xiàng)基準(zhǔn)對(duì)比，碳化硅 SiC 技術(shù)可以使系統(tǒng)尺寸減小 30、損耗降低 80，并且能夠降低系統(tǒng)成本。[6] 由于純電動(dòng)汽車(chē) BEV 上路行駛的大部分時(shí)間都不是處于滿載條件，所以損耗的降低意味著進(jìn)一步增加了續(xù)航里程。另一項(xiàng)在更高功率 (300 kW) 的對(duì)比表明，碳化硅 SiC 基 CRD300DA12E-XM3 逆變器重量?jī)H為 6.2 kg，提供的體積功率密度為 32.25 kW/L，而硅 Si 基設(shè)計(jì)重量為 14.06 kg，體積功率密度為 3.2 kW/L。[7]但是，革新的不僅是功率密度。碳化硅 SiC 具有更快的開(kāi)關(guān)速度、更低的死區(qū)時(shí)間、更小的壓降和輸出電容，從而使相電壓畸變更低、帶寬更高。與硅 Si 基所能實(shí)現(xiàn)的相比，除了在逆變器層面的效益外，碳化硅 SiC 基 MOSFET 的設(shè)計(jì)還會(huì)影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能特性，例如可提供更快的響應(yīng)、更高的相對(duì)穩(wěn)定性和穩(wěn)固性。