博格華納為何鐘情碳化硅？

電動汽車發展還有上升空間嗎？

更大的電池？更加密集的充電網絡？再快一點彈射起步？還是全都要？

一直以來圍繞電動汽車的最大痛點，其實是人們內心中對于電本身的焦慮和無奈。為什么痛苦？車企都在圍繞這個核心又迷茫的話題不斷進行探索。換電、大電池、高密度三元鋰，這些技術并不是實行的困難有多大，也不是效果有多不好，但是落地之后總覺著差點什么。人們還是會擔心，還是會焦慮，從而放棄購買雖然看起來已經很好的電動汽車。說不出來到底是什么痛，甚至不知道是否是痛，但就是哪里都不舒服。這就是電動車“百步之行，九十為半”的最后一哆嗦。

現在可以回答了：補上這一哆嗦的，就是高壓電氣技術。從光伏能源、未來電站、傳輸網絡，到用戶端充電系統、電動汽車控制系統，全面跨入高壓行列。多高算高壓？目前的主流高端純電平臺，依舊以400V為主。2019年4月保時捷Taycan Turbo S全球首發，帶來了實際第一款真正意義的800V高壓電氣平臺。兩年后，800V平臺基本在主流車企的新一代平臺中均有提及。相比于400V，800V帶來了更高的功效，更快的充電時間。充電時間在800V的加持下大幅提升功率，實現15分鐘快充補能。

一個關鍵的轉變在于，汽車以及其搭載的電池開始并不僅僅以續航里程來判斷優劣，一個新的參數，“每分鐘充電所行駛的里程數”，成為解決用戶痛點的新關鍵。這說明，電動汽車市場絕不能僅僅考慮電池的大小，整車架構的效率，充電效率、甚至更上游的充電網絡必須提升到相同戰略高度，才有可能徹底解決純電汽車所謂痛點“不痛不癢”的尷尬局面。

那么，要想未來電動汽車可以達到像加油一樣便捷，高壓電氣技術全面生態化是必經之路。全生態的高壓技術不僅大幅降低了傳輸的損耗，同時大幅縮短的傳輸時間，實現真正意義上的超級快充。對于汽車本身電子架構來講，基于整車熱管理的壓力會更小，電子響應更快，相當于給純電汽車全身打通“任督二脈”。從電的來源看，光伏+儲能的高壓化引領都不僅僅是車這一領域，而是真正的人類能源革命。

而構建這一“超能力”的靈魂，就是材料的革新。基于碳化硅（SiC）的新型控制器MOSFET（金氧半場效晶體管）會引領這一波高壓技術革命。

電動汽車的關鍵因素：1分鐘充電可以行駛多遠？

全生態電氣系統：廣闊天地，大有可為

先不急于討論這種關鍵零部件的優勢，我們再回到全生態高壓電氣化的偉大構想中。當我們討論新一代電氣化車型時，無論是純電汽車還是插電混動，汽車成為電氣生態的一環，電氣化拓寬至從發電到用電甚至電氣回收，這種產業鏈的轉變給各個頂級的巨型科技公司帶來了巨大的想象空間。

電動汽車最關鍵部件之一是逆變器。除了電機和電池之外，它是電氣化最大的標簽產品之一。該重要裝置將來自電池組的直流電（DC）轉換成交流電（AC），為車輛提供動力。一般所需的逆變器數量取決于車輛上使用的電動機的數量（ 通常每個電動機一個），高度智能化的架構不排除各種更多的逆變器。此外，圍繞整車電氣架構，大量的關鍵電源為各個系統所服務，不同系統的供應商在不同生產開發流程中積極布局。

汽車，成為消費端高壓技術的最大應用場景，引領技術變革。

從2018年特斯拉首次開始大批量引入SiC開始，這種“高端技術”逐漸成為各大車企平臺的“標配”。比亞迪唐、奧迪等，會逐漸在2023-2024年爆發性上市。奧迪第一款800V SiC SOP將會搭載在PPE平臺。奔馳的MMA平臺會在2024-2025年跟進，此外，volvo也在量產800V進程中。可以預見800V將會是未來主力競爭車型的標配。

此外，需要特別注意的是，作為生態中另一關鍵極，光伏電站作為更大規模的電轉化基礎設施，可以說未來必須作為電動汽車的一部分來考慮整個生命周期的能效和運作方式。各種規模的發電終端與高壓電動汽車的儲能終端在某些方面非常相似，其固有邏輯差別不大，太陽能電池串聯連接以獲得高電壓，并聯連接以獲得更高的電流/功率。 目前一種主流的趨勢是增加模塊串上的電壓，以利用相應較低的電流來降低連接器和布線中的功率損耗。模塊的典型標稱電壓在500到1000V左右，會越來越頻繁地達到1500V。

每個組串通常都有自己的相對低功率的逆變器，而不是單個中央逆變器，從而確保可擴展性、經濟性和容錯性。此時DC/DC升壓轉換器和逆變器中使用的半導體元件并不比整車中所帶來的影響小，從而如果我們從一個整體的觀念來看，好像這種開關串聯起了整個電力動力，從太陽到我們能夠駕駛、使用、娛樂的各種整車設施，是電池外最重要的“經絡”。

從2018年特斯拉首次開始大批量引入SiC開始，這項技術革命將逐漸從汽車快速滲透到整個電力交通出行生態。

800v只是一個數字，而不是終點

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碳化硅SiC， 毫無疑問的趨勢

全球不同供應商/開發者對于未來電壓以及標準的最終解決方案都會有側重自己產品的展望，有趣的是，無論從那個角度，高頻高壓的盡頭是SiC。也就是說， 無論從哪個方面來看，現有最好的解決方案就是SiC模塊。這取決于未來開關的應用方式，更高的頻率以及更高的電壓，即便SiC的傳導功耗實際上要比IGBT高（后文會詳細對比），但也無法阻擋應用端的爆發驅使歷史終究會選擇SiC。

從Yole公司發布的2020-2026市場預測報告中可以看出，SiC顯然成為技術與市場的雙重共識，比例不斷提升，復合年均增長率超過25%。

IGBT與SiC模組的優與劣

IGBT無疑是當今汽車核心技術的關鍵。與SiC MOSFET相比，兩者在幾個方面存在顯著差異：IGBT由于其動態損耗而被限制在低頻范圍內，但在導通時會發出恒定的飽和電壓，從而導致與電流成正比的功耗。SiCMOSFET可以在數百kHz的頻率下以低動態損耗進行開關，但在導通時表現出恒定的電阻。這導致功耗與電流的平方成正比。隨著功率吞吐量的增加，SiC MOSFET的功耗會顯著上升，這也是其一個明顯的缺點。 圖中顯示了額定50A的IGBT PIM和額定為38A的SiC PIM的電壓降與傳導損耗成正比。最佳效率的轉換點約為25A（125℃）。也就是說對于25A，甚至30A以下的傳導損耗，SiC MOSFET的損耗缺點可以完美避開，從另一個角度上看，高壓（低電流）是SiC完美的搭檔。

當對比動態開關操作時，SiC MOSFET的優勢就凸顯出來了。動態損耗與頻率直接相關。也就是說一開一關同樣會帶來損耗。例如前文中IGBT和SiC MOSFET在20至30A范圍內以相同低頻（例如16kHz）開關時，傳導損耗相似，但動態損耗卻大不相同。 在“開”的過程里，兩種器件的傳導損耗相差不大，IGBT相對稍差一些，但絕對值仍然不是很大。 但“關”的能量損耗要高得多（少數載流子，在關閉時必須從組件的n漂移區提取，但在集電極電壓升高時存在，因此會產生瞬態功率損耗）。

在95°C外殼溫度和16kHz頻率下提供500V/25A輸入和800V DC輸出的PV升壓轉換器中，在使用SiC半導體時，整體功耗顯著降低，總損耗約為IGBT電路的三分之一，此外，在較低的結溫下，可靠性更高。

以混合動力汽車為例，IGBT模塊規格一般為600V～1200V/200A～800A，其自身發熱量較大，而且其與電機、引擎等都在汽車前車倉內，空間密閉，熱量集中，如果溫度超過IGBT的結溫125℃，則導致模塊過熱燒毀。因此散熱一直是IGBT設計中的重中之重，特別是在高頻動態開關的管理過程中至關重要。SiC直接從發熱源頭降低溫度，一方面可以減少熱管理上復雜的布局與壓力，另一方面也可以實現搭載更加高頻緊湊的控制器，實現功能提升。

所以，從這個思路來講，除了節能之外，SiC更高的效率還可以實現更小、更便宜的散熱器布置，相同散熱器的溫升更低，或者相同的散熱器和溫升具有更高的功率吞吐量。如表所示40 kHz的SiC MOSFET與16 kHz的IGBT進行比較，其溫升幾乎相同，但功耗仍下降了40%。盡管系統尺寸更小，但效率提高了50%以上。此外，增加頻率也可以使升壓電感減小大約三倍。這節省了成本、尺寸和重量。

溫升相同的情況下說明即便在原有溫控策略下，SiC也具有非常可觀的節能效果。

在低電流區域，MOSFET的通態電壓低于IGBT。然而，在大電流區域，IGBT的導通電壓低于MOSFET，尤其是在高溫下。因為它們比單極 MOSFET 具有更高的開關損耗，IGBT通常在低于20kHz的開關頻率下使用，根據這個特性也不排除混合控制器的應用，針對性布置控制策略以實現最優的效率，并實現成本工藝的最優利用。

不同區域Si IGBT與SiC MOSFET各有優勢。

損耗并不是IGBT和SiC MOSFET之間的唯一區別。與IGBT不同，MOSFET中集成了體二極管。這在開關以反向模式或在第三象限運行的電源轉換器中可能是一個優勢。在IGBT的情況下，在這種情況下將需要一個額外的并聯二極管封裝在模塊中。

此外，由于SiC MOSFET的導通電阻隨著新一代器件的引入而降低，因此在越來越多的應用中，其優勢在高功率應用中被無限放大，這也是高壓電氣化以及復雜整車控制電路亟需的。

不過，SiC需要精心設計才能充分利用，而并不是簡單的更換材料。例如IGBT和SiCMOSFET 的柵極驅動看似相似，但SiC的驅動對于低傳導損耗更為關鍵，例如在設計過程中，需要盡可能接近25V的絕對最大值，開發人員經常使用20V的電壓，留出一定的安全余量等等。此外，最終的技術門檻就是封裝工藝以及熱管理結構設計，這直接將不同企業的應用水平區別開來。

博格華納技術：雙面水冷+先進封裝工藝

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博格華納（德爾福科技）是業內首家批量生產800 V碳化硅 （SiC） 逆變器的公司，該逆變器是高效的下一代電動和混合動力汽車的關鍵部件之一，可以顯著延長電動汽車 （EV） 的續航里程并將充電時間減半。究其原因，就是憑借在800 V下運行的新型SiC逆變器。汽車工程師現在可以更靈活地優化其他動力系統：更大范圍或更小的電池; 超快速充電或更小、更輕、更便宜的線束;制動時更多地收集車輛動能，進一步擴大車輛行駛里程。

新的封裝結構被命名為Viper，核心是將多個開關集成到統一外殼中，并集中熱管理。雙面冷卻是一大特色專利技術，可直接降低功率模塊的熱量，并在更緊湊的設計中提供更好的可靠性。Viper改進的可靠性和緊湊的尺寸也使逆變器可以集成到其他組件中，甚至可以直接安裝在電動機或變速器上，同時又小到可以與其他電力電子設備一起包裝。而且，Viper獨特的半導體芯片尺寸和散熱器材料使逆變器能夠快速擴展并適應不同的功率水平。因此，它可以用于完整和插入式混合動力車和電動車所需的多個電壓和電流水平。

雙面冷卻概念

新的碳化硅Viper電源開關與當前的硅開關安裝在相同的逆變器封裝中，并簡化了多種車輛性能選項的設計。集成的DC/DC轉換器和逆變器為OEM節省了大量成本。而這款逆變器的核心技術創新是其獲得專利的Viper電源開關，它同樣將SiC與高集成度和獨特的雙面冷卻結合起來，利用兩者優勢強強聯合大幅降低發熱，冷卻水溫可以控制在65℃左右，實現高頻高功率的應用。

博格華納SiC Viper

Viper的工藝要求更高，能否達到一定的良品率是企業生產考慮的關鍵問題。 總的來看，單面到雙面的轉化，最直接的是解決散熱的問題，從而可以優化體積，設計方法等衍生問題，最終影響整體架構的效率和緊湊性。目前來看單單由這一技術的改善就可以優化高達一半的體積。

Viper雙面冷卻設計以及緊湊的封裝工藝在體積、重量、效率等多方面全面優化。

從車企客戶都生產設計端來看，好的零部件給了工程師更多的想象空間以及工廠更多的生產空間。該技術同時減少每個開關所需的碳化硅數量，從而大幅度降低成本。Viper的設計可將功率損耗降低多達70%，同時提高功率密度，這不僅對單一車型有效，要知道最終的駕駛體驗具體取決于駕駛循環。也就是說，好不好客戶說來算，但是制造商在設計動力系統時可以利用這些提高的效率來提高車輛續航里程、提高整體性能或降低電池成本，從而這種靈活性使得更多的選項可以為消費者進行獨特匹配，或者提供不同車型——包括權衡電池尺寸、成本和車輛續航里程的能力;以多個價格搭配更多變的營銷方式。用于電動汽車的800V SiC逆變器可以擴展并適應更低以及更高電壓的系統，為制造商提供PHEV和BEV所需的多個電壓和電流水平，覆蓋未來多個動力系統技術路線。

800v只是一個數字，而不是終點

800v電氣系統絕對不會是高壓電氣技術的終點，900-1200V的技術已經在路上了，更多的創新技術會不斷構建新的電氣社會。但不可否認的是，從現在開始，發電到用電全電氣化生態的重要開關已經被打開了。F756F1E0-FB9E-4900-9524-0BA39FE94D71