派恩杰在国内率先推出1200V/20mΩ SiC MOSFET，提升电动汽车性价比

时间： 2021-06-02 来源：派恩杰

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随着国家颁布《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，对新能源汽车提出了更高的要求：到2025年纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里；新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右。

图 1

截至目前，全球最高效的新能源汽车的百公里电耗仍然在15千瓦时上下，要实现12千瓦时/百公里的目标仍然还有很长一段路要走。为了实现这个目标，我们不得不说一说SiC MOSFET和Si IGBT作为主驱逆变器的核心器件对电动汽车效率的影响。

图 2纯电动车百公里能耗排行榜

据业内人士统计，使用SiC MOSFET作为主驱逆变器的电动汽车，其整车混合使用效率较传统IGBT高出5-7%！其主要原因是SiC MOSFET的I-V曲线由于是一个过零点的阻性曲线，其低电流下的轻载效率远远高于同等电流的IGBT器件。

图 3

换句话说，设计同样的续航里程，使用SiC MOSFET的电动汽车可以节省5-7%的电池成本。以目前电池USD$150/kWh的造价来看，一辆75kWh的电动汽车，可节约3600~5040元人民币（562.5~787.5美金）。然而，对于一款120kW的主驱逆变器来说，一套1200V 300A的SiC MOSFET三相全桥所需的芯片造价仅约1500元人民币。所以，使用SiC MOSFET的整车成本至少降低2100元人民币。这里我们还没有计算原有IGBT的成本，以及SiC所使用的更小的散热装置成本。

值得一提的是，由于传统IGBT的高损耗，其开关频率很难超过15kHz。这个频率在人耳的警觉范围内（2Hz到20kHz），所以人耳能清晰的听到主驱逆变器在高速开关时带来的电机线圈的嗡鸣声。使用SiC MOSFET后，主驱逆变器的开关频率可以提高到30kHz，这样人就听不到了，达到静音效果。据说特斯拉目前就是这样做的。

针对未来车用市场的需求，派恩杰在国内率先推出1200V 20mΩ SiC MOSFET，根据封装散热条件不同，额定电流74~105A。该芯片可以用于单管并联或者IPM模块等主驱逆变器解决方案。

图 4

作为电动汽车行业的领军企业，特斯拉已经使用单管并联的方案多年，并取得了较好的性价比。下图为特斯拉Model 3的主驱逆变器中多个ST-PACK 封装并联的拆解图（图片来自互联网）。

图 5

单管（或者说小模块mini module）的并联方案，很好的解决了成本和可靠性之间的折衷关系（trade-off），同时也具有系统设计灵活性的特点。由于车辆动力系统对零部件的可靠性要求极高，但同时对成本又非常敏感。因此，半导体器件的寿命筛选就变得格外重要。根据著名的浴盆曲线理论，器件的早期失效是影响系统寿命的关键因素。工业界往往通过加速老化测试来人为筛选出会早期失效的器件，仅把筛选测试后存活的寿命较长的器件安装到系统中。所以，保证系统的可靠性的代价是扔掉那些可能早期失效的器件。

图 6

假如单颗芯片的早期失效率为Pe，那么在单管阶段做寿命筛选的代价就是Pe，良率（1-Pe）。但是，如果这个寿命筛选的步骤推迟到模块封装之后，那么这个代价就会非常高。假设一个模块需要并联n颗芯片，那么模块通过筛选测试的良率就是（1-Pe）ⁿ，这个良率会随着并联的芯片颗数增加而成几何级数的降低。降低的筛选良率会极大地增加零部件的成本。因此，特斯拉很机智地选择单管并联的方案，以降低成本，并达到同样的车规可靠性标准。

所以，如何在封装成模块之前，在SiC芯片阶段便筛选出会早期失效的器件将是突破车用模块技术的其中一个难点。相信随着SiC芯片的技术成熟和成本降低，SiC的早期失效率也会如同IGBT的发展轨迹那样逐渐改善。最终，模块化的解决方案将是更易使用、更标准化的技术路径。

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全部评论（1）

好运常伴吾 Lv8. 研究员 2021-06-04

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