汽車行業正在經歷從內燃機（ICE）汽車到電動汽車（EV）的前所未有的轉型。在全球遏制二氧化碳排放的法規的推動下，預計到45年，電動汽車將達到新車總銷量的2030%[1,2]。在強制性法規不斷發展的背景下，消費者對電動汽車的接受度也在不斷提高。

本文討論了在電動汽車電力電子系統中快速采用碳化硅（SiC）和寬帶隙半導體開關的好處，以及晶圓級襯底制造的價值。基于SiC的電力電子設備使電動汽車能夠實現更長的行駛里程、更快的充電速度和更低的系統級總擁有成本。這些優勢是通過利用SiC高度差異化的材料特性來設計更高效、更堅固和緊湊的動力總成系統來實現的。

提高功率密度，提高性能

雖然通過增加電池容量（也稱為能量密度）來降低電池成本方面取得了重大進展，但電動汽車動力總成的功率密度也在增加，功率密度定義為功率效率與整體尺寸的比率，并且整體尺寸、重量和成本都在下降。這是通過利用SiC電源開關來實現的，特別是在動力總成系統中的車載充電器（OBC）和牽引逆變器中[3]。

以下是基于SiC的電力電子器件的主要優勢：

能夠在更高的溫度下工作：與傳統的硅基器件相比，SiC功率器件可以在更高的溫度下工作，無需冷卻組件和笨重的散熱器材料。隨著功率水平的提高（例如，在驅動電動汽車電機的牽引逆變器中），由于最大工作溫度限制和允許結溫，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等硅功率器件的熱管理變得具有挑戰性。這一挑戰需要在動力總成系統中集成冷卻組件，例如帶有水套的大型銅塊，尤其是在功率水平可能高于100 kW的牽引逆變器中。這些冷卻組件增加了車輛尺寸、重量和成本。相反，SiC的允許結溫要高得多，為175°C及以上。此外，SiC的導熱系數是硅的兩到三倍。

更高的載流能力：SiC功率器件可承載比硅功率器件高五倍的電流密度。這允許每個芯片的功率密度更高，從而實現更小的器件和更緊湊的封裝。

更高的開關頻率：基于SiC的功率器件還能夠將開關頻率提高10倍，牽引逆變器至少為20 kHz，OBC的開關頻率至少為<>kHz。在這些更高的頻率下，電容器和電感器等無源元件的尺寸可以大大減小，從而使系統整體尺寸顯著縮小。

高耐壓：SiC還可實現更高的耐壓、功率和開關效率，從而可以設計出損耗顯著降低的大功率牽引逆變器。

對于給定的功率水平和電池容量，SiC功率器件的尺寸可以更小，這轉化為帶有集成動力總成系統的EV子系統的組件。例如，在某些設計中，電機驅動和牽引逆變器被集成到一個一體式解決方案中，進一步減小了尺寸、重量和成本。通過消除或最小化用于冷卻的機械塊以及用于被動元件和外殼的材料量，也可以在系統級別降低成本。圖1總結了使用SiC電源開關的電力電子設備的優勢。

800 V架構：減少行駛里程焦慮、成本和充電時間

利用SiC器件更高的電壓可持續性和載流能力，OEM越來越多地轉向800 V架構[4]。這種架構使消費者受益，因為它減輕了對行駛里程的焦慮并縮短了充電時間。

對于給定的電池容量，在牽引逆變器系統中，SiC功率開關的效率比IGBT提高了10%。可以利用SiC器件降低的功率損耗來降低電池的成本和尺寸。對于相同的功率水平，由于800 V與400 V的電流要求較低，布線重量和成本顯著降低。此外，更高的電壓減少了電機繞組中對大量銅的需求。這允許更小的電機設計。所有這些組件尺寸和重量的減輕都有助于降低電動汽車的成本，為電動汽車實現與傳統內燃機汽車的成本平價（或更好）做出了重大貢獻。對于可以在800 V和更高電流下適應更大功率水平的豪華車，其OBC系統可實現更快的充電時間。

晶圓級襯底制造

未來五年，SiC的最大市場是電力電子開關的電動汽車市場。為了跟上電動汽車市場的增長軌跡，SiC市場的增長速度預計將是電動汽車市場的兩倍[2]。在過去的幾十年中，SiC制造工藝中最重要的改進之一是以低成本生產無缺陷的晶圓級基板。

眾所周知，增加晶圓尺寸可以顯著降低器件的成本。然而，增加晶圓尺寸給消除缺陷帶來了挑戰。SiC基板制造過程中出現的主要缺陷是堆垛故障、微管、凹坑、劃痕、污漬和表面顆粒。所有這些缺陷都會對SiC器件的性能產生不利影響。此外，150毫米晶圓上更頻繁地出現更高水平的缺陷率，這是當今SiC制造中最普遍的晶圓尺寸。經過數十年的研發，只有少數供應商掌握了生產高質量、無缺陷的150毫米晶圓的藝術。這使得供應鏈能夠大批量生產功率器件，并利用SiC的優越特性，這些特性已經存在了一段時間，如今使用無缺陷晶圓。僅生產這種高良率的高質量晶圓，就可以將少數SiC晶圓級襯底供應商與功率SiC供應鏈中的其他供應商區分開來。展望未來，這些基板供應商已經將目光投向了未來幾年的200毫米。

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審核編輯：湯梓紅