随着汽车电动化和智能化的发展趋势，对于汽车功率模块的要求越来越高。碳化硅（SiC）作为一种新型的第三代半导体材料，由于其独特的电学特性，在汽车领域的应用受到了广泛关注。碳化硅模块作为关键的功率转换部件，能够显著提升汽车的性能和效率。
以下简单说明一下碳化硅模块的优势
（一）电学性能优势
碳化硅器件具有更高的开关频率，这是由于其禁带宽度大、临界击穿场强高以及热导率高等特性。例如，在电动汽车的电机控制器中，较高的开关频率可以减小电感和电容等被动元件的体积和重量。据相关资料，采用碳化硅模块可将电感、电容等元件的体积减小30% - 50%。
开关频率的提升也降低了开关损耗，传统的硅基器件在高开关频率下开关损耗会显著增加，而碳化硅模块能够有效解决这一问题，提高电能转换效率。碳化硅的禁带宽度约为硅基材料的3倍，这使得碳化硅模块的导通电阻更低。在汽车的车载充电器（OBC）中，低导通电阻可以减少能量损耗。例如，碳化硅模块的OBC比硅基OBC的转换效率可提高5% - 10%左右。碳化硅模块的临界击穿场强约为硅基材料的10倍，热导率约是硅基材料的3倍。这一特性使得碳化硅模块能够在更高的电压下稳定工作，并且可以在200°C以上的高温环境下正常运行，而传统硅基器件通常在150°C左右性能就会下降。这对于汽车在高温环境下的行驶，如在炎热沙漠或高温行驶的电动汽车中非常有利，减少了冷却系统的负担。
（二）车辆性能提升方面的优势
在新能源汽车的主驱逆变器中，碳化硅模块能够将电池的电能更高效地转化为电机的机械能。采用车规级碳化硅功率器件的新能源汽车，在相同电池容量和行驶工况下，续航里程相比采用传统硅基器件的车型提升了约10%左右。碳化硅模块在电动汽车的DC - DC转换器和快充桩中也有重要作用。在快充方面，碳化硅器件能够支持更高的功率输出，缩短充电时间。例如，1700V 800A车规级HPD封装三相全桥碳化硅模块等应用于快充基础设施时，可显著缩短充电时间，提升用户体验。
下面看看碳化硅模块在汽车系统中的应用有哪些？
（一）电机控制器（逆变器）
碳化硅MOSFET和二极管在电机控制器中的应用是提高电能转换效率的关键。采用碳化硅逆变器能够显著提升电动汽车的续航里程和动力性能。特斯拉、比亚迪等车企已在部分车型中采用碳化硅逆变器。从技术角度看，由于电机控制器需要处理高电压、高电流的电能转换，碳化硅模块的高开关频率和低导通电阻特性在这种复杂的电能处理过程中表现出色，能够减少能量在转换过程中的损耗。
（二）车载充电器（OBC）
碳化硅器件在OBC中的应用可以提高其充电效率，缩短充电时间。传统硅基OBC在充电过程中会有一定的能量损耗，而碳化硅模块能够优化这个过程。下图提到的OBC相关技术参数对比显示，碳化硅OBC在相同充电条件下能够更快地为车辆充电，同时减少发热现象，这对于保障OBC的稳定性和延长其使用寿命非常重要，另外效率能到达到97%，也提升了2个点左右。
（三）DC - DC转换器
碳化硅在DC - DC转换器中的应用可以提高电压转换效率，减少能量损失，提升整车电气系统的性能。从汽车电气系统的角度看，DC - DC转换器在整个车辆的电能管理系统中起着分配和转换电能的重要作用。碳化硅模块的高效特性可以优化电能分配，满足车辆不同电气设备（如车内电子系统、电池充放电等）的用电需求。
说到新能源汽车应用，就不得不提到比亚迪。作为国内首家自主研发功率半导体芯片的厂商，比亚迪在碳化硅模块的应用方面走在前列。在2024年北京车展期间，比亚迪展出1200V 1040A高功率碳化硅模块，此模块采用双面银烧结等先进工艺，在不改变原有模块封装尺寸的基础上将模块功率大幅提升了近30%。
2024年6月在中国汽车重庆论坛上，比亚迪宣布新建的碳化硅工厂将于2024年下半年投产，产能规模是全球第一，是第二名的10倍。并且从2024年下半年起，比亚迪20万左右的车型也将搭载应用碳化硅的智能化方案。
面临的挑战
（一）成本问题
碳化硅模块的生产成本相对较高，这主要是由于碳化硅材料的生长难度大、生产工艺复杂等因素。与传统硅基模块相比，目前的碳化硅模块在市场上的价格仍然偏高。降低成本是碳化硅模块在汽车领域广泛应用的关键。这需要在材料生长技术、制造工艺等方面进行创新和优化，提高生产效率，降低生产成本。
（二）可靠性
汽车的使用环境复杂多变，对碳化硅模块的可靠性提出了很高的要求。碳化硅模块需要在各种恶劣环境下（高温、高寒、潮湿、震动等）都能稳定工作。例如，比亚迪推出的1200V 1040A高功率碳化硅模块采用双面银烧结等先进工艺，突破了高温封装材料、高寿命互连设计、高散热设计及车规级验证等技术难题。但在整个行业范围内，提高碳化硅模块的可靠性仍然是一个持续探索的过程。
在深圳国际会展中心盛大举行的PCIMAsia 2024展会上，爱仕特科技以其突破性创新震撼全场，正式发布了新一代超低电感LPD系列碳化硅功率模块。这款模块的问世，标志着功率半导体领域在降低杂散电感--仅2.5nH、确保了电流路径的极致优化与高速开关的精准控制。其工作电压范围覆盖900V至1000V，支持高达30kHz的工作频率，输出功率可突破300kW大关，展现了卓越的电气性能与强大的负载能力。提升能效方面迈出了重要一步。LPD系列凭借三相全桥设计和内部集成的高性能 1200V 碳化硅 MOSFET，可实现对电流的精准控制和高速开关，满足汽车高功率驱动需求。
此外，爱仕特公司还有 MED 系列等碳化硅模块3。MED 系列有 1200V/600A、1200V/800A、1700V 800A 等规格，采用真空回流焊工艺，Cu 底板 + 低热值 AlN 绝缘陶瓷，最高工作结温 175℃，集成 NTC 温度传感器，寄生电感小于 15nH，开关损耗低，主要应用于商用车。
碳化硅模块在汽车领域的应用具有巨大的潜力，其独特的电学性能优势能够显著提升汽车的性能和效率。国产企业在碳化硅模块的研发和生产方面已经取得了一定的成绩，但也面临着成本和可靠性等挑战。随着技术的不断进步，相信碳化硅模块将在汽车领域得到更广泛的应用，推动汽车产业向电动化、智能化方向不断发展。
