作為國內第一家搭載純電動汽車突破100萬臺的電驅動企業，上海電驅動股份有限公司從08年就進入該領域，從分體式電驅產品、三合一技術突破到步入寬禁帶半導體的應用實踐，上海電驅動始終緊追在技術前沿，順電驅動行業發展趨勢一路直行。

上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷表示，目前電驅動系統已經發展到了比較成熟的階段，但在新能源汽車發展的大形勢下，新的需求也在為電驅系統指明新的發展方向。

需求導向 新材料成電驅系統發展突破點

具體而言，對駕駛體驗的追求引出了高扭矩/高加速性能的需要，這要求電驅系統增加電流密度、提高動態響應性能;對續航時長和快速充電的追求引出了高壓化這一電動汽車行業恒久不變的話題，碳化硅這類寬禁帶半導體相比硅基IGBT更有性能突破的可能。

對行駛和充電安全的要求引出了對電池壽命、功能穩定性的把控;對低噪環境的要求引出了對NVH的提升……從微觀的用戶體驗逆推產品發展趨勢，會發現目前IGBT市場較為成熟的情況下，電驅動系統仍然有很大的發展空間。

如何滿足這些需求，如何在這些領域實現技術突破，創造新的經濟增長點?這是車企和供應商都在考慮的問題。

在陳雷看來，將整個電驅動系統拆開來看，半導體是最高級的單一零部件，作用非常關鍵，對半導體的選擇很大可能會影響到對這些需求的實現。

目前市面上有三代半導體材料，分別是以硅(Si)、鍺(Ge)為代表的第一代(元素)半導體，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代(二元/三元化合物)半導體;以及陳雷作重點介紹的第三代半導體。

第三代半導體又叫做寬禁帶半導體，其代表有碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)，擁有高頻、高功率、抗高輻射、光電性能優異等特點，適合制造電力電子、微波射頻、光電子等元器件，正契合新能源汽車所代表的電氣化、智能化趨勢。

值得注意的是，“十四五”國家重點研發計劃啟動實施2021年“新型顯示與戰略性電子材料”重點專項，第三代半導體正在其列。

在電驅動器中專門處理大功率電壓和電流的功率半導體，分別從損耗、封裝、可靠性三個方面影響整車續航、電機輕量化、電機壽命。

以碳化硅為例，陳雷從三個方面說明了寬禁帶半導體的應用會帶來的變化。

相較Si IGBT 碳化硅上車有何不同

從損耗看，功率半導體的損耗大小直接決定電機控制器的效率，從而影響電池容量，進而決定續航。

功率器件在運行中產生兩種損耗，一種是通態損耗，在功率器件處于正向導通的情況下，通過功率器件的正向壓降與正向電流的積，即稱為通態耗損。

另一種叫做開關損耗，不論頻率和速度，開關過程中，電流和電壓變化總會產生損耗，也分為開通損耗和關斷損耗。

通態損耗中，相比Si IGBT，碳化硅在同樣的封裝下會具有一定的優勢。主要原因在于碳化硅器件本身的電阻特性，而IGBT是雙極性的器件，雙極性的器件存在VCE0的電壓，而電阻特性沒有這種壓降。

因為VCE0電壓的存在，在小電流的情況里，IGBT的器件壓降更大，碳化硅更小，產生損耗相對更低。將類似規格的碳化硅和Si IGBT對比，大電流的情況下導通壓降相差20%-30%，小電流的情況下，相應的損耗會相差數倍。

就開關損耗而言，碳化硅的優勢在于開關速度更快，這意味開關損耗相應程度的降低。

一般來說，對于1200V的碳化硅，開關時電壓電流變化的時間在100-200nm之間，而1200V的硅，其時間則在在300-400nm之間。

就封裝而言，半導體的大小、散熱冷卻的形式會直接影響到電機控制器的功率密度，進而影響到整車輕量化和構架。

目前市面上的封裝多樣：從多合一的全橋形式到半橋形式;果凍膠布到塑封;還有單面散熱或者雙面散熱的封裝。

封裝是根據功率器件屬性來進行的，市面上比較流行的還是400V為主的小功率型封裝模式。但是從高壓化的未來趨勢來看，封裝的散熱性、電感、批量應用、兼容性在將來都會有大的提升。

還有可靠性。芯片本身和封裝的可靠性都很關鍵。傳統Si IGBT使用鋁線就能夠滿足功率循環等要求，但為了增強電流密度，使用過電能力更強、發熱更小的銅可以降低溫度，進而提高功率循環的次數。

最后是碳化硅的焊接層應用。相較于硅，碳化硅的熱膨脹系數更大，在器件的邊緣導致的熱應力更大，隨著使用時間的加長，在功率循環過程中會產生分層，甚至在焊料上出現空洞，這些空洞帶來的直接結果就是熱阻升高，熱傳導能力下降，散熱變差。

這一問題已經在目前的技術進步中得到了解決，相比于傳統焊料焊接，目前使用的銀漿燒結工藝擁有數倍以上的功率循環壽命，還可以承受更高的工作溫度。

助力碳化硅上車 上海電驅動布局六年

2016年，上海電驅動開始做基于商用車的碳化硅控制器樣件。兩年之后，研發步入開發基于雙面冷卻的碳化硅控制器，并對其進行了乘用車和商用車的整車驗證。陳雷表示，這段時間雖然開發速度快，但總體效率提升不明顯。

2020年開始，研發基于量產的碳化硅控制器項目，將在2023年SOP。同時陳雷表示，S基于800V平臺功率更大的碳化硅控制器，也適用于運行里程更高的商用車，可以使這類控制器有助于節省電量和提高經濟效益。

碳化硅器件會首先應用在比較高端的車型，尤其是應用800V平臺的車型上，這幾乎算是一個行業共識。

一方面，基于更快速的充電考慮，使用碳化硅器件后，開關損耗和導通損耗都會降低，同樣的開發效率下，應用于800V系統中，功率器件開關損耗降低的比例更大，這有助于提升系統效率。

另一方面，碳化硅尚未達到規模化產能，這也是其尚未大量應用于市場的主要原因。原料在達到規模化產能之后，良率提升，產品單價降低，從而獲得市場優勢。陳雷看來，在量化產出和使用后，碳化硅可能獲得一定的成本優勢。或許可以用于A級或更小的車上。

結合上海電驅動對于碳化硅的具體研發來看，這類材料的實際應用仍然存在部分技術挑戰。

碳化硅上車有多難?技術問題仍待解決

首先是EMC(電磁兼容性)性能的問題，在高的開關速度下，dv/dt及di/dt更高，容易產生電磁干擾，經過多年技術發展，EMC對于Si IGBT已不是難點，但要拓新碳化硅材料必須重提多級濾波器的設計。

可靠性的問題也不可忽視，陳雷表示，目前應用碳化硅器件的數量和實際使用碳化硅器件的時間都不夠長，對碳化硅器件的可靠性要額外重視。

硅基IGBT目前發展比較成熟，一般耐壓都能夠達到正負20V的等級。然而，碳化硅在耐壓部分會遇上挑戰，特別是對負壓部分，可能只能承受負6V-負10V的電壓。

除此以外，與硅質材料不同，碳化硅材料器件的應用也會帶來功率循環、溫度循環方面的挑戰。

要創新，必然遇到門檻。總的來說，寬禁帶半導體是需求導向，技術先行的典例。在新能源、智能化的發展趨勢下，在相對成熟的Si IGBT行業中尋找新的技術突破點，營造經濟增長點，需要上海電驅動這樣的企業勇敢嘗試、積極進步。

但不可忽視的是，助力碳化硅上車，讓新材料性能最大化，需要系統性和長期性的努力，只有上下游并行發展，才能推動新材料進市場，進而推動行業革新。

(以上內容來自上海電驅動股份有限公司電控研究院院長陳雷在2022年6月24日由蓋世汽車主辦的2022中國汽車電驅動與關鍵技術云論壇發表的《寬禁帶半導體在電機控制器中的應用》主題演講。)

關鍵詞： 純電動汽車 電驅動系統 新能源汽車 電池壽命