SiC（碳化硅）元件推动电动车新走向

一直以来，“里程焦虑”、“充电缓慢”都是卡住新能源汽车脖子的关键问题，是车企和车主共同的焦虑；

但随着高压电气技术的不断进步和快充时代的到来，将SiC(碳化硅）一词推向了市场的风口浪尖。

继2019年4月保时捷Taycan Turbo S 全球首发三年后，800V高压超充终于开始了普及。相比于400V，800V带来了更高的功效，大幅提升功率，实现了15分钟的快充补能。

而构建800V超充平台的灵魂就是材料的革新，基于碳化硅的新型控制器，便引领着这一轮高压技术的革命。

小鹏发布的800V高压SiC平台

Si（硅）早已是大多数电子应用中的关键半导体材料，但与SiC（碳化硅）相比，则显得效率低下：

根据半导体材料的区别，行业内通常可以将半导体分为三代：

第一代半导体材料大部分为目前广泛使用的高纯度硅；第二代化合物半导体材料包括砷化镓、磷化铟；第三代化合物半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表。

SiC（碳化硅）是一种由Si（硅）和C（碳）构成的化合物半导体材料。

不仅绝缘击穿场强是Si的10倍，带隙是Si的3倍，而且在器件制作时可以在较宽范围内控制必要的p型、n型，所以被认为是一种超越Si极限的功率器件材料。

SiC（碳化硅）中存在各种多型体（结晶多系），它们的物性值也各不相同；用于功率器件制作，4H-SiC最为合适。

图片来自：IEEE

是什么让SiC（碳化硅）引领着这一轮高压技术的革命？

主要是因为：SiC（碳化硅）拥有更高的临界雪崩击穿场强、更大的导热系数和更宽的禁带。

SiC（碳化硅）具有3电子伏特（eV）的宽禁带，可以承受比硅大8倍的电压梯度而不会发生雪崩击穿，禁带越宽，在高温下的漏电流就越小，效率也越高；而导热系数越大，电流密度就越高。

它的绝缘击穿场强是Si的10倍：因此与Si器件相比，能够以具有更高的杂质浓度和更薄的厚度的漂移层作出600V～数千V的高耐压功率器件。

高耐压功率器件的阻抗主要由该漂移层的阻抗组成，因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。

图片来自Yole2016

特别是：在理论上，相同耐压的器件SiC（碳化硅）单位面积的漂移层阻抗可以降低到Si的1/300：

而Si材料中，为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题，主要采用如IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor : 绝缘栅极双极型晶体管）等少数载流子器件（双极型器件）；但是却存在开关损耗大 的问题，其结果是由此产生的发热会限制IGBT的高频驱动。

SiC（碳化硅）材料却能够以高频器件结构的多数载流子器件（肖特基势垒二极管和MOSFET）去实现高耐压，从而同时实现 "高耐压"、"低导通电阻"、"高频" 这三个特性。

另外，带隙较宽，是Si的3倍，因此SiC（碳化硅）功率器件即使在高温下也可以稳定工作。

在SiC（碳化硅）强大的性能优势下，其也终于迎来“辉煌时代”：

据最近Yole给出的数据显示：SiC（碳化硅）元件将从2021年10.9亿美元成长到2027年63亿美元，年复合成长率达到34%。

无论是当代的新势力车企代表特斯拉还是传统车企代表通用汽车，它们在2020年和2021年有多款新发布的电动车都在变压器上采用SiC（碳化硅）元件：

根据Yole调查：特斯拉创纪录的出货量帮助SiC（碳化硅）元件在2021年超越10亿美元销售额的关卡。

如今通用汽车和特斯拉等汽车制造商正加大投资，让采用SiC（碳化硅）元件的电动车在充电后，能行驶更远，并且电池耗尽时，也可更快地充电。

简单来说，SiC（碳化硅）元件正在推动电动车走向未来：

SiC（碳化硅）元件正在争夺电动车传动系统核心的80%左右的功率电子装置，包括将储存在汽车电池组中的直流电转换为车辆电动马达所需的交流电之主牵引逆变器（Main Traction Inverter）；SiC晶片还在电动车其他部分争取地位，例如车载充电器和直流-直流转换器。

Yole认为为了满足长续航里程的需求，800V电动车是实现快速直流充电的解决方案，这就是1200V SiC元件可以发挥关键作用的地方。

从中国这个全球最大的电动汽车市场来看，上汽、广汽等车企已经开始布局碳化硅全产业链，这为国内供应商创造了宝贵的发展机遇：

特别是，截至目前为止，比亚迪的Han-EV通过提供快速充电获得了不错的销售量。

因为这一刺激，2022年将有更多汽车制造商（例如：蔚来汽车、小鹏汽车等）采用SiC元件于电动车上并推向市场。

但与其它领域相同，新技术在诞生初期，都面临着成本过高的问题：

但是可以确定的是：现在的碳化硅就像过去光伏领域的HJT电池、氢能领域的膜电极、动力电池领域的固态电池一样，有着比较大的降本空间。

伴随着技术的进步、规模效应和产品良率的提升，SiC（碳化硅）也必然会凭借其优异的性能被更广大的下游客户所接受。

编辑：黄飞