在純電動汽車的眾多電子系統(tǒng)中，功率電子設(shè)備是核心所在，而半導(dǎo)體在其能源管理中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保能源的高效使用。由碳化硅制成的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）更是能將電動出行的效率提升到全新的水平。雖然半導(dǎo)體技術(shù)已在某些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在某些汽車應(yīng)用中仍處于初期階段。作為半導(dǎo)體制造商和汽車專家，博世對碳化硅的未來持樂觀態(tài)度。

碳化硅屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，這種較寬的禁帶相較于硅具有若干優(yōu)勢：得益于更高的擊穿場強(qiáng)，這些特殊半導(dǎo)體能夠在較低導(dǎo)通電阻下阻擋更高的電壓，使其成為高壓應(yīng)用的理想選擇。此外，改進(jìn)的溫度穩(wěn)定性確保該半導(dǎo)體即使在接近400華氏度（約204攝氏度）的高溫下也能保持其性能。碳化硅的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于其更高的載流子遷移率，這使其相比傳統(tǒng)硅基解決方案能夠顯著提高開關(guān)頻率。這些優(yōu)勢共同提升了整體效率。

01為什么碳化硅值得關(guān)注

碳化硅的主要優(yōu)勢因芯片應(yīng)用的車輛部件不同而有所差異。在電動汽車中，碳化硅主要增強(qiáng)了電力電子設(shè)備，尤其是逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器。碳化硅在逆變器中的應(yīng)用提高了效率，從而增加了續(xù)航里程。

碳化硅MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)比硅基IGBT高，允許更快的開關(guān)速度。通過提高開關(guān)速度，總體開關(guān)損耗減少了大約50%。此外，碳化硅技術(shù)支持更高的開關(guān)頻率，可達(dá)到24 kHz。這一能力顯著提升了DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器的效率，使系統(tǒng)更為緊湊、輕便。配備碳化硅半導(dǎo)體的逆變器提高了電驅(qū)動系統(tǒng)的整體效率，結(jié)合其它系統(tǒng)改進(jìn)，減少了電能消耗。這增加了電動汽車的續(xù)航里程，或者說，可以根據(jù)車輛類型和應(yīng)用優(yōu)化電池容量以節(jié)省成本。

02碳化硅芯片正在占領(lǐng)市場

盡管有眾多優(yōu)勢，但目前并非所有電動汽車都配備碳化硅芯片。其中一個原因是碳化硅半導(dǎo)體比相應(yīng)的硅元件更昂貴。碳化硅晶錠的生產(chǎn)需要極高的溫度——約3600華氏度（約1982攝氏度）——并且在原材料變成芯片之前需要超過300個工藝步驟和十多個掩膜或結(jié)構(gòu)層。因此，碳化硅的使用通常需要經(jīng)過仔細(xì)的成本效益分析。

目前基于碳化硅技術(shù)的逆變器主要用于高性能車輛，在這些車輛中碳化硅的優(yōu)勢最為明顯，特別是基于800伏技術(shù)的車輛應(yīng)用中。隨著產(chǎn)量的增加，碳化硅的成本最終將下降，使得該技術(shù)在更多車輛部件和車型中使用變得越來越有價值。

03為電動駕駛而設(shè)計

博世是碳化硅技術(shù)的早期采用者。公司于2001年開始開發(fā)首批碳化硅半導(dǎo)體，并在2011年推出了首款MOSFET原型。從一開始，博世的半導(dǎo)體開發(fā)就針對汽車行業(yè)的需求量身定制。車用半導(dǎo)體與其他應(yīng)用半導(dǎo)體相比面臨完全不同的條件。例如，汽車所經(jīng)歷的溫度波動對電子元件造成了重大壓力。此外，博世還必須應(yīng)對更高的質(zhì)量要求。考慮到汽車的使用周期較長，半導(dǎo)體器件的壽命必須能夠與整車壽命相匹配。博世的芯片設(shè)計反映了這些需求。

溝槽MOSFET的柵氧化物設(shè)計是一個典例。博世為碳化硅芯片開發(fā)了自己的制造工藝，適應(yīng)了博世自有的溝槽蝕刻技術(shù)。該工藝通常在行業(yè)內(nèi)被稱為“博世工藝”，最初于1994年為MEMS傳感器開發(fā)。它能夠?qū)?a target="_blank">高精度的垂直結(jié)構(gòu)蝕刻到晶圓材料中。與傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)不同，柵極是垂直的。絕緣氧化物不僅覆蓋芯片表面，還深入其中。這種結(jié)構(gòu)確保了更高的功率密度，同時保證了較長的使用壽命。這一點尤為重要，由于該元件將在車輛中長時間持續(xù)承受高電壓，其可靠性至關(guān)重要。

汽車行業(yè)是推動碳化硅技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵參與者。隨著時間的推移和生產(chǎn)量的增加，行業(yè)將實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，從而降低成本，未來碳化硅的應(yīng)用市場廣闊。博世作為碳化硅技術(shù)的先鋒，始終追求卓越，專注技術(shù)創(chuàng)新，致力于推動電動出行的發(fā)展。