作者：刘洪

马斯克日前预测说，缺芯之后电力短缺将成为新的挑战，而提高能源利用效率，降低能耗，减少能量浪费，已成为一个亟待解决的问题。对于电动汽车来说，在电池技术尚未取得关键性突破的情况下，提高电驱效率是在相同电池容量下攫取更长续航里程的关键。
2018年，特斯拉开始在Model 3上用碳化硅（SiC）MOSFET替代传统硅基IGBT，这一举措对汽车和功率半导体行业产生了重大影响。这一重要转折点不仅推动了电动汽车技术的发展，也引发了整个行业对碳化硅技术的关注和研发。
5年多来，碳化硅的耐高压、耐高温、高频化等特性帮助电动汽车降低了能耗，缩小了电驱尺寸，延长了行驶里程，缓解了里程焦虑。之前被人们诟病的高昂成本也随着碳化硅采用量的增加而日趋降低；2023年3月马斯克所说的减少75%的碳化硅用量也已在实现之中。
Yole Group最近发布的《2024年功率模块封装行业现状》预计，功率模块市场将从2023年的80亿美元增长到2029年的160亿美元，年均复合增长率为12.1%。报告显示，安森美是拥有裸片、功率模块设计和封装完整业务的领先厂商之一。事实上，安森美还是从碳化硅材料直到器件端的完整IDM厂商。
作为打造智能电源和智能感知技术的领先半导体制造商，安森美深知能效对于电动汽车意味着什么。日前，安森美电源方案事业部副总裁及汽车主驱方案部门总经理Bret Zahn（下图右）、安森美电源方案事业部汽车主驱方案部门产品总监Jonathan LLiao（下图左）接受记者采访，分享了全球及中国电动汽车市场的发展和碳化硅应用方面的进展，特别是碳化硅在主驱上的应用，介绍了安森美所扮演的关键角色、产品优势以及与车企的合作情况。


 
他们表示：“虽然碳化硅的研发和应用已经有十几年的历史，但大部分应用都是这几年才开始的，特别是特斯拉在主驱上使用之后，我们和很多公司一样大力投入碳化硅，共同推动碳化硅的发展趋势，也成为了碳化硅领域全球数一数二的供应商。”

电动汽车发展开始提速

汽车行业正在走向电气化，从2021年开始加速，彼时全球电动汽车市场份额约为5%，而在挪威其比例达到惊人的90%。作为世界上最大的汽车市场，中国在2021年11月也首次跨过20%的门槛。从全球市场来看，2023年大约40%的新能源车在中国，10台车中就有4台；中国的纯电动汽车品牌也是全世界最多的，竞争之激烈可想而知，个性化已成为OEM不懈努力的目标。



时下，全球很多OEM特别是欧洲OEM都在加速电气化的进程。2023年Q3，在销量（不含纯电动车）方面，BMW电子化率排名第一，包括插电或充电约为15%；之后是奥迪、沃尔沃、大众、奔驰、保时捷等。北美的福特、凯迪拉克、雪佛兰等也在跟进；丰田的电气化最慢，但销量全球最多，1000万台中约有0.5%是电气化车型。到2030年，全球预计将有1.5亿台新能源车在路上行驶。

押注被引爆的碳化硅，高压应用备受青睐

安森美通过收购完善了整条IDM碳化硅产业链，近两年主要集中精力于变速器和逆变器。主驱逆变器可将直流电池的能量转换提供给交流电机，安森美提供的大部分产品都用于此。
主驱即主驱动器，是电动汽车的核心部件之一。它将电能转换为机械能，为电动汽车提供动力，驱动车辆前进或后退。主驱在电动汽车中的应用地位举足轻重，其性能直接影响电动汽车的动力性、经济性、舒适性和安全性等。
全球趋势表明，功率越大需要的电池就越大，输出能力也越大，因此需要更高的效率。之前电源效率的提升都是百分之零点几，而现在从IGBT切换到碳化硅，同一逆变器的效率可以提升2%到5%。



另一个趋势是高压，特别是在中国，两三年内量产的品牌几乎都瞄准了800V平台。Bret Zahn指出：“事实上，800V供应链还不是很成熟，特别是电池或逆变器、线束等产品，但进展会非常快，特别在中国。”
他表示，下一个重点是降低重量，减小尺寸，这是所有OEM和Tier1共同的目标。逆变器更小，集成度更高，节省下来的空间可以给乘客或行李厢提供更大空间，同时还能够降低成本。

为什么碳化硅比IGBT更好？

与IGBT相比，为什么碳化硅在逆变器上更好用？数据显示，相比传统的硅IGBT，碳化硅可以使逆变器的效率提升5-8%，在某些情况下可以使系统效率提高5%左右。此外，碳化硅的高温表现也十分优异，即使在200℃高温下也能维持正常效率表现，这是其他材料难以比拟的。Jonathan Liao解释说，碳化硅特性的优势主要体现在以下四个方面：
一是硬度，相较于硅，碳化硅材料的莫氏硬度比硅高50%。这对模块生产很重要，银烧结应力不容易导致碳化硅损坏，机械特性和热量分散能力也好很多。
二是超温能力，超温最容易损坏电子产品，特别功率产品。IGBT的热导率约为是1.15cm·K，碳化硅约为4.9cm·K，导热能力几乎是硅的4倍。更快的导热对于逆变器的热管理尤为重要，不容易产生失效问题。
三是抗高压能力，1厘米厚度的碳化硅耐压约为2500kV，硅是800kV。同样厚度的碳化硅耐压能力高很多，特别适合800V、1600V或高速牵引等应用。
四是带隙，在同样电流下，宽带隙的碳化硅导电能力、开关速度是硅的两倍，导电损耗小很多。



综上所述，碳化硅非常适合高压应用，散热性更好，导电更快，损耗更小。因此，在牵引逆变器产品中很多客户已经从IGBT逐步转向碳化硅，特别是800V应用。
Bret Zahn认为，800V同样也面临一些挑战。“因为能够将电池容量减少30%到40%，但电压比之前翻了一倍，在同样功率下，OEM的预算并不会增加很多。之前的400V要把管芯（die）做得更大，才能输出更大的电流，而只要将碳化硅做厚一点，就可以耐受400V到800V电压，整个模块几乎没有什么改变，但输出电流降低了，耐压变高了。所以，整体上碳化硅具有很大优势。”他说。
事实上，近年来中国的创新速度非常快，对新技术的接受程度也非常高，相比之下，北美和欧洲却没有跟上。对此他表示，因为美国大约60%的电动车都是特斯拉，而快充网络是特斯拉的最大优势之一。特斯拉的充电站很多，用户可以提前知道哪个充电桩可以使用，系统已经调好。因此，北美一些厂商都与特斯拉签了合同，以使用其超级快充网络，所以800V进度会慢一点。之后特斯拉也要转向1000V，400V变成双边兼容，400V、1000V都可以充。

安森美碳化硅三箭齐发

Jonathan Liao介绍说，目前安森美安森美的EliteSiC汽车电驱动产品线有三类产品。白色的凝胶填充模块（case module）产品是现在国内最流行的解决方案；还有采用塑封压铸模的1200V碳化硅模块。除了封装好的模块，安森美还为中国客户提供直供晶圆，由后者自己封装。现在三种产品都已经有客户在量产，前两个产品在国内外都有OEM在用，搭载的车已经上路。



据了解，安森美的EliteSiC 1200V产品主要面向更高能效、更轻量的设计，有助于增加续航里程并加快充电；裸芯片便于客户根据特定应用需求进行差异化封装设计。
不言而喻，产业链对保供至关重要。安森美是全球整个碳化硅供应链方面非常领先的公司，通过垂直整合从原材料粉末到成品封装功率器件（“From powder to power”）的供应链，来确保高可靠性，这种高度可扩展的端到端生产方式使安森美能够控制供应链的相关环节，从而根据市场需求去弹性地调节产能，优化成本结构。这是IDM的优势，也是安森美整合深耕垂直产业链的效果。
Bret Zahn告诉记者：“由于安森美自己控制晶圆开发和模块，一开始就可以为客户设计合适的功率模块，以适合低配、中配、高配的不同车型。这些模块的机械尺寸都一样，客户只要把软件改一下即可安装量产，使整个生产线保持一致性。”

鱼与熊掌兼得才是最好

全球的趋势出奇的一致，需要更低的损耗、更高的功率、更好的效率，更长的行程，更小的电阻和更好的散热。安森美有很多不同方式可以将模块的封装和碳化硅晶圆大小完美配置，将这些解决方案提供给客户。
近几年，安森美拿到了不少OEM和Tier1的项目，见诸于报道的消息比比皆是，其中有造车新势力品牌，如极氪，理想等，也有在探索向EV转型的传统车企，如奔驰、宝马和大众等，安森美和这些客户都有非常深度和长期的保供协议。



现在，国内的量产车几乎都是三合一以上的电驱，有的国外厂商也在做五合一、七合一，留给逆变器的空间越来越小，但这并不代表其输出功率可以降低。Jonathan Liao说：“逆变器的输出功率一般在150kW，200马力，这是底线，再往上可以做到400多马力。但是，留给集成电驱的冷却预算不会增加，体积比之前小了，输出功率要和之前一样或更大，这就需要更好的导热，才能满足整个系统的要求。”
这也正是安森美的优势——集成度越来越高，模块也要变小，die也要更小。安森美基于晶圆大小跟全球Tier1合作，根据输出能力将die尺寸设计做得刚刚好，比如要输出150kW，按规格设计模块就可以满足客户的要求，同时降低产品成本。
他说：“比如有客户想做一个N合一、功率密度非常高的产品，就不能用市面上已有的模块。如果量很大，安森美可以与客户合作，在量产之前根据热损耗、热阻来设计碳化硅和模块的大小，通过控制晶圆的大小和封装满足客户的需求，而其他只做碳化硅芯片不做模块的公司就没有办法帮客户量身定做。”
die更小，也印证了特斯拉关于碳化硅减量的说法。他从功率密度解释说，如果和之前量产的第一代车用碳化硅比，以相同的功率密度计算，第二代碳化硅的面积已经少了约20%，第三代、第四代又各减少20%，算起来就是50%。如果用面积计算，什么都不做，在同样的功率模块中，最新产品的碳化硅用量就少了50%，而输出功率是一样的。实际上是半导体厂商用创新完成了这个减量过程。
据了解，不管是模块应用还是裸片应用，在客户第一次使用碳化硅时，安森美都会从一开始就和客户进行深入合作，或者采用共建联合技术应用实验室的模式，由自己的封装专家、晶圆专家、工程师为客户解答碳化硅和IGBT的不同之处，双方工程师在现场一起调试产品，从系统应用层面探讨和解决客户量产方面的问题。

写在最后

安森美碳化硅技术以其卓越的性能和稳定性，正成为车企和电动汽车领域降低成本、提升性能的关键。安森美充分发挥碳化硅的高效导热、导电和耐压特性，不仅帮助电动汽车降低了能耗，缩小了电驱尺寸，还延长了行驶里程。同时，随着碳化硅采用量的增加，其高昂的成本也将日趋降低，有助于进一步提升车企的竞争力。
作为全球碳化硅领域的领先厂商，安森美拥有从碳化硅材料到器件端的完整IDM业务，能够确保产品的高品质和可靠性。在向800V高压转换的进程中，安森美以其稳定可靠的碳化硅供应链和创新的解决方案，为汽车OEM提供了强大的支持，帮助客户更好地应对电动汽车市场的挑战。
未来，随着电动汽车市场的不断发展和对能效要求的不断提高，安森美将继续发挥其碳化硅技术的优势，推出更多高性能、高可靠性的产品，为电动汽车的发展提速，推动更智能、更环保的出行方式的实现与落地。