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碳化硅（SiC）控制器

，附特斯拉故障召回控制器實拍照片

1 新能源汽車控制器功率器件概述

1.1 功率器件碳化硅與IGBT行業(yè)概況

▲中國新能源汽車IGBT

、SiC市場規(guī)模，數(shù)據(jù)來源：Omdia
如圖所示

，中國新能源汽車市場IGBT

、SiC市場近5年規(guī)模數(shù)據(jù)

，以及未來三年的數(shù)據(jù)預(yù)測，不論斜率還是趨勢

，SiC市場增速和規(guī)模都優(yōu)于IGBT

，還沒有統(tǒng)計光伏、家電等SiC的需求

。

正是在碳排放的大背景下

，功率器件前途光明，創(chuàng)投遍地撒錢的原因

。

1.2 IGBT與SiC結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）IGBT結(jié)構(gòu)

▲英飛凌IGBT7空間結(jié)構(gòu)/帶溝槽結(jié)構(gòu)
眾所周知

，絕緣柵雙極型晶體管簡稱IGBT，是由BJT（雙極結(jié)型晶體三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動式-功率半導(dǎo)體器件

。

自1985年誕生以來

，雖然經(jīng)歷多代升級，IGBT可分為：p-IGBT和n-IGBT

。

在IGBT領(lǐng)域

，英飛凌在全球市場的位置舉足輕重，目前已經(jīng)發(fā)展7代

，IGBT1～I(xiàn)GBT7, IGBT7

。IGBT7采用了基于新型微溝槽（MPT）的IGBT結(jié)構(gòu)。它采用基于n-摻雜的襯底的典型垂直IGBT設(shè)計

。

如圖所示

，IGBT7里的溝槽有多種形式：其中常見的是作為有源柵極使用，柵極電壓施加到溝槽

，在溝槽兩側(cè)形成導(dǎo)電溝道

。其次，MPT結(jié)構(gòu)還能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射極溝槽和偽柵極

，兩者都是無效溝槽

。對于發(fā)射極溝槽來說，溝槽直接接到發(fā)射極電位

。對于偽柵極來說，柵極電壓施加到溝槽

。但是因為這些溝槽周圍沒有發(fā)射極接觸結(jié)構(gòu)

，二者均無法形成導(dǎo)電溝道

。這三種溝槽單元類型能夠精細(xì)化定制IGBT。

（2）SiC構(gòu)造

第三代半導(dǎo)體由3C-SiC

、4H- SiC

、6H-SiC、GaAs等材料構(gòu)成

。由于4H- SiC具有更好的禁帶寬度(3.26eV)

、高頻率特性（大于12K）、臨界擊穿電壓（3MV/cm）

、熔點(diǎn)（大于2100℃）

、很高的電子飽和飄移率（2×107cm/s）等原因，是其成為第三代半導(dǎo)體的主力

。

如圖所示

，4H-SiC是空間結(jié)構(gòu)，黑色碳原子

，白色硅原子

。如下圖所示，硅Si-MOSFET與SiC-MOSFET結(jié)構(gòu)對比

，我們可以看出

，碳化硅和IGBT構(gòu)造相似。

▲SiC空間結(jié)構(gòu) /硅S- MOSFET與SiC- MOSFET結(jié)構(gòu)對比
（3）工作原理

IGBT和碳化硅的工作原理相似

，都是一個三端器件

，其本質(zhì)就是一個開關(guān)，非通即斷

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？刂仆ā?div id="4qifd00" class="flower right">

，就是靠的是柵源極的電壓

，當(dāng)柵源極加大于6V,一般取12V到15V時IGBT/碳化硅導(dǎo)通，柵源極不加電壓或者是加負(fù)壓時

，關(guān)斷

，加負(fù)壓就是為了可靠關(guān)斷。

IGBT和碳化硅沒有放大電壓的功能

，導(dǎo)通時可以看做導(dǎo)線

，斷開時當(dāng)做開路。

1.3 碳化硅與IGBT主要特性

（1）IGBT特性

▲圖1-10 英飛凌IGBT7導(dǎo)通時波形
圖片
▲英飛凌IGBT7 2.5μS通斷波形
如圖所示

，英飛凌IGBT的特性曲線

，由于IGBT特性很多，導(dǎo)通電壓和通斷特性非常重要

，篇幅所限

，具體特性可以參考具體型號Datasheet

。

（2）碳化硅特性

▲IGBT、短路碳化硅

、正常碳化硅導(dǎo)通時間波形
碳化硅出眾的特性-短路能力

。這也是變頻器驅(qū)動應(yīng)用的關(guān)鍵。如圖所示

，IGBT

、短路碳化硅、正常碳化硅導(dǎo)通時間波形

，不難看出

，碳化硅更優(yōu)秀。

1.4 碳化硅器件具體優(yōu)勢

（1）能量損耗低

SiC模塊內(nèi)阻僅幾毫歐

，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗顯著低于同等IGBT模塊

，且開關(guān)頻率越高，與IGBT模塊的損耗差越大

。

正常行駛時

，采用碳化硅比采用IGBT能節(jié)約5%的電量，在制動時

，如圖所示

，能減少能量的損耗，提升回生電力

，提高續(xù)航里程

，進(jìn)一步解決新能源汽車的短板。

▲再生制動器獲得的功率比較圖

，左側(cè)為 Si

，右側(cè)為 SiC 資料來源：三菱電機(jī)
（2）更小的封裝尺寸

SiC器件具備更小的能量損耗，能夠提供較高的電流密度

。

在相同功率等級下

，碳化硅功率模塊的體積縮小到IGBT模塊控制器的1/4，有助于提升系統(tǒng)的功率密度

，也為其他設(shè)備創(chuàng)造了更大的空間

。

（3）實現(xiàn)高頻開關(guān)

SiC材料的電子飽和漂移速率是Si的2倍，開關(guān)頻率提高1.5倍

；8000V以上的臨界擊穿電場

，克服IGBT在開關(guān)過程中的拖尾電流問題。

（4）耐高溫

、散熱能力強(qiáng)

SiC的禁帶寬度

、熱導(dǎo)率約是Si的3倍，可承受理論溫度600℃

，實際一般175℃高

，高熱導(dǎo)率也將帶來功率密度的提升和熱量的更易釋放

，冷卻部件可小型化，有利于系統(tǒng)的小型化和輕量化

。

2 SiC在特斯拉控制器上的應(yīng)用

2016年特斯拉率先在Model 3上使用意法半導(dǎo)體的碳化硅（SiC）模組，將24顆SIC MOSFET用在逆變器模塊上

。

2020年以后

，碳化硅引發(fā)了車企的重視和布局。

（1）特斯拉Model3 碳化硅

特斯拉Model 3功率器件選用廠家是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的

，型號GK026

，可能是特斯拉公司定制意法半導(dǎo)體公司的，在官網(wǎng)上查不到產(chǎn)品信息

。
根據(jù)特斯拉Model 3驅(qū)動電機(jī)的功率

，大致推算出碳化硅器件是650V/100A的產(chǎn)品，估算出逆變器峰值相電流為715rms左右

，平均每個電流178Arms

。

▲特斯拉Model3 碳化硅陣列
如圖所示，特斯拉Model 3 碳化硅陣列

，SiC模塊單元采用標(biāo)準(zhǔn)6-switches逆變器拓?fù)?div id="jfovm50" class="index-wrap">，每半橋四個并聯(lián)，其正極直接連接電容的DC+

，負(fù)極則采用DC-Cu bus

，與母線電容的DC-進(jìn)行連接，DC- Cu bus緊貼在模塊的上表面(為了更清晰表示

，圖中去掉了電容器)

。

在汽車前進(jìn)和后退時，有微控制芯片DSP控制3個驅(qū)動IC

，將直流DC轉(zhuǎn)化成交流

，產(chǎn)生A、B

、C三相交流電

，驅(qū)動電機(jī)工作；制動時

，微控制芯片DSP控制控制另外3個驅(qū)動IC工作

，使驅(qū)動電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，將交流電轉(zhuǎn)化成直流電

，經(jīng)母線給電池組充電

。

（2）碳化硅模塊的散熱
控制器高頻控制碳化硅的通斷，由于碳化硅在導(dǎo)通的瞬間產(chǎn)生很大的浪涌電流

，在截時有較大的反向峰值電流存在

、以及工作電壓高

、電流大、分布電容等因素的存在

，都使碳化硅溫度升溫快

。

盡管不同廠家標(biāo)定的碳化硅的工作溫度在600℃左右，實際中

，碳化硅的工作溫度在20℃～200℃

，所以要控制碳化硅的恰當(dāng)工作溫度。

特斯拉Model 3碳化硅采用冷卻液來實現(xiàn)

。在結(jié)構(gòu)上

，碳化硅模塊和散熱鋁合金之間是一層約為25～100um的銀通過燒結(jié)工藝連接起來的，保持良好的導(dǎo)熱性

。

▲特斯拉Model3碳化硅冷卻
如圖所示

，特斯拉碳化硅模塊的冷卻，在實際工作中

，冷卻液有進(jìn)出管道接口

，里面有很多橢圓柱的針，高度約為16mm

，間距約為1.5mm

，采用“特斯拉閥”結(jié)構(gòu)，和電池組的降溫相似

，保證碳化硅處于佳的工作溫度

。

（3）特斯拉Model 3控制器工作過程

▲特斯拉Model3 驅(qū)動電機(jī)控制器
如圖所示，特斯拉Model 3控制器是將低壓控制和高壓電路集中在一個PCB版上

。為了隔離安全

，低壓和高壓母線電壓采用光耦隔離，型號為Avago ACPL-C87BT-000E

。電源電路為整個電路板低壓電路和驅(qū)動芯片提供電壓

，其中變壓器型號為TDK VGT22EPC-222S6A12。

插接器主要是將電壓

、電流

、溫度、旋變

、車速

、油門踏板、制動等信號通過CAN芯片（TI SN65HVD1040A）送入主控芯片（TI DSP TMS320F28377DPTPQ）

，主控芯片通過驅(qū)動芯片（ST GAP1AS）來控制功率器件碳化硅的通斷

，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電。為了保障系統(tǒng)穩(wěn)定，特斯拉Model 3選用英飛凌的 SBC TLF35584QVVS2芯片對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控

，確保系統(tǒng)可靠

、穩(wěn)定。

3 SiC功率器件在新能源汽車應(yīng)用上存在的問題

從400V到800V

，相比較傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體

，碳化硅優(yōu)勢明顯，不僅在控制器上應(yīng)用

，充電器也需要

，但作為功率器件在新能源汽車上應(yīng)用還存在三個問題。

一價格貴

，比IGBT貴一個數(shù)量級，專利的費(fèi)用較高

，和IGBT的技術(shù)壁壘一樣

；

第二可靠性問題，碳化硅材料缺陷密度大

，如果和“硅”標(biāo)準(zhǔn)比較

，個位數(shù)的ppm級失效概率仍然偏高。雖然廠家在量產(chǎn)車前已經(jīng)做過大量的臺架和路試

，已經(jīng)達(dá)到了車規(guī)級的應(yīng)用

，但對于客戶來說，用車的情況可能比廠家實驗要復(fù)雜的多

，他們的駕駛習(xí)慣

、汽車知識等都不可能達(dá)到廠家那樣的專業(yè)級，使用的過程中可能出現(xiàn)很多問題

，所以可靠性還需要時間的檢驗

；

第三是壽命，碳化硅是半導(dǎo)體

，繞不開失效問題

，車輛的平均壽命一般在10～15年，對碳化硅也是挑戰(zhàn)

。

4 新能源汽車功率器件的未來發(fā)展趨勢

碳化硅并不是神秘的東西

，而是技術(shù)的迭代。

800V充電系統(tǒng)和電控系統(tǒng)功率模塊不僅有碳化硅

，氮化鎵

、金剛石也是一個選項。碳化硅的初衷是解決新能源汽車的充電焦慮

，即新能源汽車充電時間偏長和低續(xù)航的兩大短板

。

對于功率器件的未來，不是看800V材料的碳化硅單個的datasheet，而是從整個模塊的成熟度

、可靠性

、壽命、成本

、知識產(chǎn)權(quán)

、軟硬件的匹配等多方面找到平衡點(diǎn)。

伴隨著新能源汽車的井噴式發(fā)展

，功率器件成本的下降

，更多寬禁半導(dǎo)體也會在中國大地遍地開花，后摩爾時代集成電路潛在顛覆的技術(shù)會不斷突破

，功率器件控制器硬件問題就會迎刃而解

。

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點(diǎn)擊次數(shù)：1128 更新時間：2022-09-21 【打印此頁】【關(guān)閉】

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