1新能源汽车控制器功率器件概述

1.1功率器件碳化硅与IGBT行业概况

▲中国新能源汽车IGBT、SiC市场规模，数据来源：Omdia

如图所示，中国新能源汽车市场IGBT、SiC市场近5年规模数据，以及未来三年的数据预测，不论斜率还是趋势，SiC市场增速和规模都优于IGBT，还没有统计光伏、家电等SiC的需求。

正是在碳排放的大背景下，功率器件前途光明，创投遍地撒钱的原因。

1.2IGBT与SiC结构与工作原理

（1）IGBT结构

▲英飞凌IGBT7空间结构/带沟槽结构

众所周知，绝缘栅双极型晶体管简称IGBT，是由BJT（双极结型晶体三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件。

自年诞生以来，虽然经历多代升级，IGBT可分为：p-IGBT和n-IGBT。

在IGBT领域，英飞凌在全球市场的位置举足轻重，目前已经发展7代，IGBT1～IGBT7,IGBT7最先进。IGBT7采用了基于新型微沟槽（MPT）的IGBT结构。它采用基于n-掺杂的衬底的典型垂直IGBT设计。

如图所示，IGBT7里的沟槽有多种形式：其中最常见的是作为有源栅极使用，栅极电压施加到沟槽，在沟槽两侧形成导电沟道。其次，MPT结构还能够实现发射极沟槽和伪栅极，两者都是无效沟槽。对于发射极沟槽来说，沟槽直接接到发射极电位。对于伪栅极来说，栅极电压施加到沟槽。但是因为这些沟槽周围没有发射极接触结构，二者均无法形成导电沟道。这三种沟槽单元类型能够精细化定制IGBT。

（2）SiC构造

第三代半导体由3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC、GaAs等材料构成。由于4H-SiC具有更好的禁带宽度(3.26eV)、高频率特性（大于12K）、临界击穿电压（3MV/cm）、熔点（大于℃）、很高的电子饱和飘移率（2×cm/s）等原因，是其成为第三代半导体的主力。

如图所示，4H-SiC是空间结构，黑色碳原子，白色硅原子。如下图所示，硅Si-MOSFET与SiC-MOSFET结构对比，我们可以看出，碳化硅和IGBT构造相似。

▲SiC空间结构/硅S-MOSFET与SiC-MOSFET结构对比

（3）工作原理

IGBT和碳化硅的工作原理相似，都是一个三端器件，其本质就是一个开关，非通即断。控制通、断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加大于6V,一般取12V到15V时IGBT/碳化硅导通，栅源极不加电压或者是加负压时，关断，加负压就是为了可靠关断。

IGBT和碳化硅没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

1.3碳化硅与IGBT主要特性

（1）IGBT特性

▲图1-10英飞凌IGBT7导通时波形▲英飞凌IGBT72.5μS通断波形

如图所示，英飞凌IGBT的特性曲线，由于IGBT特性很多，导通电压和通断特性非常重要，篇幅所限，具体特性可以参考具体型号Datasheet。

（2）碳化硅特性

▲IGBT、短路碳化硅、正常碳化硅导通时间波形

碳化硅最出众的特性-短路能力。这也是变频器驱动应用的关键。如图所示，IGBT、短路碳化硅、正常碳化硅导通时间波形，不难看出，碳化硅更优秀。

1.4碳化硅器件具体优势

（1）能量损耗低

SiC模块内阻仅几毫欧，开关损耗和导通损耗显著低于同等IGBT模块，且开关频率越高，与IGBT模块的损耗差越大。

正常行驶时，采用碳化硅比采用IGBT能节约5%的电量，在制动时，如图所示，能减少能量的损耗，提升回生电力，提高续航里程，进一步解决新能源汽车的短板。

▲再生制动器获得的功率比较图，左侧为Si，右侧为SiC资料来源：三菱电机

（2）更小的封装尺寸

SiC器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。

在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积缩小到IGBT模块控制器的1/4，有助于提升系统的功率密度，也为其他设备创造了更大的空间。

（3）实现高频开关

SiC材料的电子饱和漂移速率是Si的2倍，开关频率提高1.5倍；V以上的临界击穿电场，克服IGBT在开关过程中的拖尾电流问题。

（4）耐高温、散热能力强

SiC的禁带宽度、热导率约是Si的3倍，可承受理论温度℃，实际一般℃甚至更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利于系统的小型化和轻量化。

2SiC在特斯拉控制器上的应用

年特斯拉率先在Model3上使用意法半导体的碳化硅（SiC）模组，将24颗SICMOSFET用在逆变器模块上。

年以后，碳化硅引发了车企的重视和布局。

（1）特斯拉Model3碳化硅

特斯拉Model3功率器件选用厂家是意法半导体生产的，型号GK，可能是特斯拉公司定制意法半导体公司的，在

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