碳化硅（SiC）控制器，附特斯拉故障召回控制器實(shí)拍照片
1 新能源汽車(chē)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(guó)新能源汽車(chē)IGBT、SiC市場(chǎng)規(guī)模，數(shù)據(jù)來(lái)源：Omdia
如圖所示，中國(guó)新能源汽車(chē)市場(chǎng)IGBT、SiC市場(chǎng)近5年規(guī)模數(shù)據(jù)，以及未來(lái)三年的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，不論斜率還是趨勢(shì)，SiC市場(chǎng)增速和規(guī)模都優(yōu)于IGBT，還沒(méi)有統(tǒng)計(jì)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(qián)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(jiǎn)稱IGBT，是由BJT（雙極結(jié)型晶體三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件。
自1985年誕生以來(lái)，雖然經(jīng)歷多代升級(jí)，IGBT可分為：p-IGBT和n-IGBT。
在IGBT領(lǐng)域，英飛凌在全球市場(chǎng)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(jì)。
如圖所示，IGBT7里的溝槽有多種形式：其中常見(jiàn)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(wú)效溝槽。對(duì)于發(fā)射極溝槽來(lái)說(shuō)，溝槽直接接到發(fā)射極電位。對(duì)于偽柵極來(lái)說(shuō)，柵極電壓施加到溝槽。但是因?yàn)檫@些溝槽周?chē)鷽](méi)有發(fā)射極接觸結(jié)構(gòu)，二者均無(wú)法形成導(dǎo)電溝道。這三種溝槽單元類(lèi)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(duì)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(duì)比
（3）工作原理
IGBT和碳化硅的工作原理相似，都是一個(gè)三端器件，其本質(zhì)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)，非通即斷?？刂仆?、斷，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(shí)IGBT/碳化硅導(dǎo)通，柵源極不加電壓或者是加負(fù)壓時(shí)，關(guān)斷，加負(fù)壓就是為了可靠關(guān)斷。
IGBT和碳化硅沒(méi)有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開(kāi)時(shí)當(dāng)做開(kāi)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(shí)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(hào)Datasheet。
（2）碳化硅特性
▲IGBT、短路碳化硅、正常碳化硅導(dǎo)通時(shí)間波形
碳化硅出眾的特性-短路能力。這也是變頻器驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shì)
（1）能量損耗低
SiC模塊內(nèi)阻僅幾毫歐，開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗顯著低于同等IGBT模塊，且開(kāi)關(guān)頻率越高，與IGBT模塊的損耗差越大。
正常行駛時(shí)，采用碳化硅比采用IGBT能節(jié)約5%的電量，在制動(dòng)時(shí)，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(chē)的短板。
▲再生制動(dòng)器獲得的功率比較圖，左側(cè)為 Si，右側(cè)為 SiC 資料來(lái)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(jí)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(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)關(guān)
SiC材料的電子飽和漂移速率是Si的2倍，開(kāi)關(guān)頻率提高1.5倍；8000V以上的臨界擊穿電場(chǎng)，克服IGBT在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的拖尾電流問(wèn)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(shí)際一般175℃高，高熱導(dǎo)率也將帶來(lái)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(chē)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(hào)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(dòng)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(gè)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)?，每半橋四個(gè)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(chē)前進(jìn)和后退時(shí)，有微控制芯片DSP控制3個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)工作；制動(dòng)時(shí)，微控制芯片DSP控制控制另外3個(gè)驅(qū)動(dòng)IC工作，使驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(lái)實(shí)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(guò)燒結(jié)工藝連接起來(lái)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(shí)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(guò)程
▲特斯拉Model3 驅(qū)動(dòng)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(gè)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(hào)為Avago ACPL-C87BT-000E。電源電路為整個(gè)電路板低壓電路和驅(qū)動(dòng)芯片提供電壓，其中變壓器型號(hào)為T(mén)DK VGT22EPC-222S6A12。
插接器主要是將電壓、電流、溫度、旋變、車(chē)速、油門(mén)踏板、制動(dòng)等信號(hào)通過(guò)CAN芯片（TI SN65HVD1040A）送入主控芯片（TI DSP TMS320F28377DPTPQ），主控芯片通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片（ST GAP1AS）來(lái)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(duì)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(chē)應(yīng)用上存在的問(wèn)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(shì)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(chē)上應(yīng)用還存在三個(gè)問(wèn)題。
一價(jià)格貴，比IGBT貴一個(gè)數(shù)量級(jí)，專(zhuān)利的費(fèi)用較高，和IGBT的技術(shù)壁壘一樣；
第二可靠性問(wèn)題，碳化硅材料缺陷密度大，如果和“硅”標(biāo)準(zhǔn)比較，個(gè)位數(shù)的ppm級(jí)失效概率仍然偏高。雖然廠家在量產(chǎn)車(chē)前已經(jīng)做過(guò)大量的臺(tái)架和路試，已經(jīng)達(dá)到了車(chē)規(guī)級(jí)的應(yīng)用，但對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，用車(chē)的情況可能比廠家實(shí)驗(yàn)要復(fù)雜的多，他們的駕駛習(xí)慣、汽車(chē)知識(shí)等都不可能達(dá)到廠家那樣的專(zhuān)業(yè)級(jí)，使用的過(guò)程中可能出現(xiàn)很多問(wèn)題，所以可靠性還需要時(shí)間的檢驗(yàn)；
第三是壽命，碳化硅是半導(dǎo)體，繞不開(kāi)失效問(wèn)題，車(chē)輛的平均壽命一般在10～15年，對(duì)碳化硅也是挑戰(zhàn)。
4 新能源汽車(chē)功率器件的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
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(gè)選項(xiàng)。碳化硅的初衷是解決新能源汽車(chē)的充電焦慮，即新能源汽車(chē)充電時(shí)間偏長(zhǎng)和低續(xù)航的兩大短板。
對(duì)于功率器件的未來(lái)，不是看800V材料的碳化硅單個(gè)的datasheet，而是從整個(gè)模塊的成熟度、可靠性、壽命、成本、知識(shí)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(chē)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(huì)在中國(guó)大地遍地開(kāi)花，后摩爾時(shí)代集成電路潛在顛覆的技術(shù)會(huì)不斷突破，功率器件控制器硬件問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。
