純電動汽車經(jīng)歷多年的發(fā)展，終于能進入全面競爭時代了。這里的全面競爭并不是指市場上的電動車市場玩家有多少，而是指消費者對純電動汽車的關(guān)注點，已經(jīng)從續(xù)航里程這一個單一指標，變成對車輛所有設(shè)計和指標的通盤考慮。這種轉(zhuǎn)變既是因為電池技術(shù)的發(fā)展讓車輛續(xù)航里程這種關(guān)鍵指標滿足消費者的需要，也是各個汽車企業(yè)開始認真全面的考量與雕琢產(chǎn)品屬性、為消費者呈現(xiàn)自己精心設(shè)計的產(chǎn)品，而不僅僅是油改電這種產(chǎn)品上，簡單的產(chǎn)品屬性的拼湊。

而所謂“產(chǎn)品屬性的全面考量和雕琢”，呈現(xiàn)給消費者的感覺，其實就是“工匠精神”。 

比亞迪漢是比亞迪汽車全新旗艦產(chǎn)品。應用了全新的刀片電池，讓電池安全性成倍增加，也是最能戳中消費者內(nèi)心、打消消費者顧慮之處。我相信很多消費者會為此心動和買單。

但是比亞迪漢作為比亞迪新旗艦產(chǎn)品，在王朝系列中，獲得了開拓中國版圖、奠定中國民族性的漢朝的名稱，絕不是靠“電池安全”這一個產(chǎn)品屬性在純電動汽車市場拼殺的。認真研究的話，也會發(fā)現(xiàn)，這是一款富有“工匠精神”、細節(jié)設(shè)計全面到位的產(chǎn)品。 

例如比亞迪“漢”的電機控制器中，應用了碳化硅MOSFET模塊，雖然很多人會把他當作技術(shù)創(chuàng)新來看待，但我認為，這是一個體現(xiàn)了“工匠精神”的配置選擇。

碳化硅晶體分子排布與比亞迪漢碳化硅MOSFET元件

電機控制器是將電池包輸出的直流電，根據(jù)控制指令的需要轉(zhuǎn)化為電機所需要的三相交流電的設(shè)備。雖然說輸出的是三相交流電，但實際上是利用開關(guān)信號組成的方波模擬出來的。而碳化硅MOSFET模塊，就是電機控制器中，起到開關(guān)功能的最核心組件。它的性能好壞，直接影響能有多少電能傳遞到電機的線圈上。甚至可以說，在電池到電機的串聯(lián)鏈路里，除了各種導線和連接器所造成的損耗外，其他的電能損耗全都在電機控制器的功率模塊上。因此在功率控制模塊上的改進非常重要。

Si、4H-SiC、GaN 三種材料特性比較

比亞迪漢上應用碳化硅材料，自然也是為了在動力性和能量效率上帶來更多優(yōu)勢。那碳化硅和傳統(tǒng)的硅基功率半導體的區(qū)別在哪呢？ 

變化自然來自于碳。碳是第6號元素，硅是14號元素，兩者在同一列之中，外層都有4個電子，屬于同族元素。顯然，碳的原子序號更小，因此核外電子少，也就更接近原子核，因此原子核對電子的束縛能力更強。由碳原子和硅原子組成的晶體，相比單純由硅原子組成的晶體，在共價鍵中的電子同樣受到更多的束縛。碳化硅的禁帶寬度幾乎是硅半導體的3倍。

導體、半導體和絕緣體的差異

電子被晶體中各元素的原子核束縛住，如果想要自由移動，就需要獲得一定的能量，躍遷到可以自由出入的高層軌道。這個需要獲得的能量就是禁帶。碳原子的束縛能力強，也就是說，電子需要獲得更多的能量才能從被束縛的低軌道躍遷到可以自由移動的高軌道，這就是“寬禁帶功率半導體”名稱的由來。如今，硅基材料隨著幾十年的發(fā)展，各種形式的半導體幾乎都達到了理論極限。因此后續(xù)以碳化硅、氮化鎵為主要材料的寬禁帶半導體成為了未來主要發(fā)展方向。

各種硅基功率半導體開關(guān)頻率和功率性能

寬禁帶最直接的好處，有更高的擊穿場強，也就是耐高壓，即是可以控制更高的系統(tǒng)電壓。比亞迪漢能夠使用650V電壓平臺，也有碳化硅的功勞。高電壓意味著低電流，能減少設(shè)備電阻的損耗。對電機設(shè)計來說，也更容易在小體積下實現(xiàn)更高功率，也因此，比亞迪漢可以輕松實現(xiàn)3.9S的 0 – 100 加速性能。

寬禁帶除了耐高壓之外，在設(shè)備關(guān)斷時，能有更高的電阻，也就是在關(guān)閉的時候，不需要的能量損失更小。在這里有兩方面的好處，一個是當需要通路關(guān)閉時，能實現(xiàn)更徹底的關(guān)閉，減少電能消耗，另一個好處，則是在關(guān)斷的瞬間，殘余的電流拖尾現(xiàn)象更低，在以PWM控制為主的電機控制上，顯然非常重要。一方面可以實現(xiàn)更高的PWM頻率，能提高整車舒適性能，另一方面，電流拖尾的能量同樣也是能量損失，對于一秒鐘能夠開關(guān)幾千次的電機控制器來說，節(jié)約的能量同樣也是非?？捎^的。

SiC、 Si的關(guān)斷電流（示意圖） 

除了寬禁帶帶來的優(yōu)勢外，碳化硅還有兩大優(yōu)勢，一個是飽和電子速度更高，一個是導熱率更高、耐溫性能更高。 

飽和電子速度快，也就是可以通過更大的電流。碳化硅材料的電子飽和速度是硅材料的兩倍，因此在設(shè)備設(shè)計時，匹配的電流強度更容易遠離設(shè)備的飽和電流，也就能實現(xiàn)在導通狀態(tài)下更低的電阻。這能減少電能的損耗，也有助于降低設(shè)備發(fā)熱，簡化散熱設(shè)計。特別是在瞬時大電流情況下，設(shè)備溫度積累減少，再加上耐溫性增加與材料本身更強的導熱率，也讓設(shè)備散熱更容易。車輛也就能爆發(fā)出更大的功率。這是比亞迪漢能實現(xiàn)363Kw功率的原因。

比亞迪漢具有680Nm扭矩儲備，可以在3.9s實現(xiàn)0-100加速 

低電阻和耐高壓兩個特性結(jié)合，對工程設(shè)計來說，更多時候不是設(shè)備性能直接提升，而會通過較少材料使用，讓設(shè)備的整體性能達到“夠用”的水平。但對電器設(shè)備來說，小也有更多的優(yōu)勢。由于在MOSFET內(nèi)部，正極與負極之間存在間隙，因此自然會形成一個寄生電容，在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，電容內(nèi)部儲存的電能也會成為熱量逐漸消耗掉。因此設(shè)備做小，能成比例減少寄生電容電量，將這些能量節(jié)省下來，同時也能提高開關(guān)頻率。 

因此綜合來看，碳化硅功率半導體天生具有高禁帶寬度、高電子飽和速度和高導熱率，在應用上具有低能量耗散和耐高壓、耐高電流的性能，開關(guān)控制頻率也有很大優(yōu)勢，能為純電動汽車帶來更長續(xù)航里程和更強的動力。至少當工程師在這兩者間的平衡時，能有更多選擇。雖然對比亞迪漢來說，動力性能提高時碳化硅MOSFET帶來地最直接提升，但使用磷酸鐵鋰的情況下達到605公里的續(xù)航里程，顯然也有碳化硅的功勞。這種平衡多指標最優(yōu)化設(shè)計，也是“工匠精神”的體現(xiàn)。

比亞迪漢電池、電機、電機控制器同框

既然碳化硅幾乎全是優(yōu)點，為什么現(xiàn)在應用的企業(yè)不多呢？除了碳化硅作為第三代功率半導體元件發(fā)展時間短以外，應用少也和碳化硅的性質(zhì)有關(guān)。由于碳化硅耐高壓、高關(guān)斷阻抗的性質(zhì)，也讓其在關(guān)閉時，電流變化迅速，會出現(xiàn)電壓沖擊。一方面這需要在驅(qū)動電路上做更多保護設(shè)計，防止關(guān)斷時電流沖擊損耗碳化硅MOSFET和驅(qū)動電路，另外，這種變化也會不可避免地產(chǎn)生強烈地電磁輻射，因此EMC設(shè)計要比硅基半導體復雜。這些細節(jié)設(shè)計才是碳化硅MOSFET應用的攔路虎，因此單單將碳化硅應用到汽車上，就需要“工匠精神”。 

我們再回來看比亞迪漢，雖然線條簡潔干練，但在細節(jié)上設(shè)計也非常用心。特殊的機艙罩分縫、翼子板邊緣的BYD DESIGN圖標、車燈上方的三個藍色裝飾條、按鈕上的中文字符等等，設(shè)計上誠意滿滿，是一款值得細細品味的好車。 

比亞迪漢前機艙蓋的分縫獨特，在常規(guī)視角看更有整體感

希望這篇文章，能讓大家了解什么是碳化硅，也能關(guān)注到比亞迪漢，除了刀片電池之外，更多的細節(jié)設(shè)計和匠心獨運。

返回第一電動網(wǎng)首頁 >