第一电动|碳化硅如何让比亚迪汉跑的又快又远
纯电动汽车经历多年的发展 ， 终于能进入全面竞争时代了 。这里的全面竞争并不是指市场上的电动车市场玩家有多少 ， 而是指消费者对纯电动汽车的关注点 ， 已经从续航里程这一个单一指标 ， 变成对车辆所有设计和指标的通盘考虑 。这种转变既是因为电池技术的发展让车辆续航里程这种关键指标满足消费者的需要 ， 也是各个汽车企业开始认真全面的考量与雕琢产品属性、为消费者呈现自己精心设计的产品 ， 而不仅仅是油改电这种产品上 ， 简单的产品属性的拼凑 。
而所谓“产品属性的全面考量和雕琢” ， 呈现给消费者的感觉 ， 其实就是“工匠精神” 。
比亚迪汉是比亚迪汽车全新旗舰产品 。应用了全新的刀片电池 ， 让电池安全性成倍增加 ， 也是最能戳中消费者内心、打消消费者顾虑之处 。我相信很多消费者会为此心动和买单 。
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但是比亚迪汉作为比亚迪新旗舰产品 ， 在王朝系列中 ， 获得了开拓中国版图、奠定中国民族性的汉朝的名称 ， 绝不是靠“电池安全”这一个产品属性在纯电动汽车市场拼杀的 。认真研究的话 ， 也会发现 ， 这是一款富有“工匠精神”、细节设计全面到位的产品 。
例如比亚迪“汉”的电机控制器中 ， 应用了碳化硅MOSFET模块 ， 虽然很多人会把他当作技术创新来看待 ， 但我认为 ， 这是一个体现了“工匠精神”的配置选择 。
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碳化硅晶体分子排布与比亚迪 汉地碳化硅MOSFET元件
电机控制器是将电池包输出的直流电 ， 根据控制指令的需要转化为电机所需要的三项交流电的设备 。虽然说输出的是三项交流电 ， 但实际上是利用开关信号组成的方波模拟出来的 。而碳化硅MOSFET模块 ， 就是电机控制器中 ， 起到开关功能的最核心组件 。它的性能好坏 ， 直接影响能有多少电能传递到电机的线圈上 。甚至可以说 ， 在电池到电机的串联链路里 ， 除了各种导线和连接器所造成的损耗外 ， 其他的电能损耗全都电机控制器的功率模块上 。因此在功率控制模块上的改进非常重要 。
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Si、4H-SiC、GaN 三种材料特性比较
比亚迪汉上应用碳化硅材料 ， 自然也是为了在动力性和能量效率的带来更多优势 。那碳化硅和传统的硅基功率半导体的区别在哪呢？
变化自然来自于碳 。碳是第6号元素 ， 硅是14号元素 ， 两者在同一列之中 ， 外层都有4个电子 ， 属于同族元素 。显然 ， 碳的原子序号更小 ， 因此核外电子少 ， 也就更接近原子核 ， 因此原子核对电子的束缚能力更强 。由碳原子和硅原子组成的晶体 ， 相比单纯由硅原子组成的晶体 ， 在共价键中的电子同样受到更多的束缚 。碳化硅的禁带宽度几乎是硅半导体的3倍 。
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导体、半导体和绝缘体的差异
电子被晶体中各元素的原子核束缚住 ， 如果想要自由移动 ， 就需要获得一定的能量 ， 跃迁到可以自由出入的高层轨道 。这个需要获得的能量就是禁带 。碳原子的束缚能力强 ， 也就是说 ， 电子需要获得更多的能量才能从被束缚的低轨道跃迁到可以自由移动的高轨道 ， 这就是“宽禁带功率半导体”名称的由来 。如今 ， 硅基材料随着几十年的发展 ， 各种形式的半导体几乎都达到了理论极限 。因此后续以碳化硅、氮化镓为主要材料的宽禁带半导体成为了未来主要发展方向 。
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各种硅基功率半导体开关频率和功率性能
宽禁带最直接的好处 ， 有更高的击穿场强 ， 也就是耐高压 ， 即是可以控制更高的系统电压 。比亚迪汉能够使用650V电压平台 ， 也有碳化硅的功劳 。高电压意味着低电流 ， 能减少设备电阻的损耗 。对电机设计来说 ， 也更容易在小体积下实现更高功率 ， 也因此 ， 比亚迪汉可以轻松实现3.9S的 0 – 100 加速性能 。
宽禁带除了耐高压之外 ， 在设备关断时 ， 能有更高的电阻 ， 也就是在关闭的时候 ， 不需要的能量损失更小 。在这里有两方面的好处 ， 一个是当需要通路关闭时 ， 能实现更彻底的关闭 ， 减少电能消耗 ， 另一个好处 ， 则是在关断的瞬间 ， 残余的电流拖尾现象更低 ， 在以PWM控制为主的电机控制上 ， 显然非常重要 。一方面可以实现更高的PWM频率 ， 能提高整车舒适性能 ， 另一方面 ， 电流拖尾的能量同样也是能量损失 ， 对于一秒钟能够开关几千次的电机控制器来说 ， 节约的能量同样也是非常可观的 。
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SiC、 Si的关断电流（示意图）
除了宽禁带带来的优势外 ， 碳化硅还有两大优势 ， 一个是饱和电子速度更高 ， 一个是导热率更高、耐温性能更高 。
饱和电子速度快 ， 也就是可以通过更大的电流 。碳化硅材料的电子饱和速度是硅材料的两倍 ， 因此在设备设计时 ， 匹配的电流强度更容易远离设备的饱和电流 ， 也就能实现在导通状态下更低的电阻 。这能减少电能的损耗 ， 也有助于降低设备发热 ， 简化散热设计 。特别是在瞬时大电流情况下 ， 设备温度积累减少 ， 再加上耐温性增加与材料本身更强的导热率 ， 也让设备散热更容易 。车辆也就能爆发出更大的功率 。这是比亚迪汉能实现363Kw功率的原因 。
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比亚迪汉具有680Nm扭矩储备 ， 可以在3.9s实现0-100加速
【第一电动|碳化硅如何让比亚迪汉跑的又快又远】低电阻和耐高压两个特性结合 ， 对工程设计来说 ， 更多时候不是设备性能直接提升 ， 而会通过较少材料使用 ， 让设备的整体性能达到“够用”的水平 。但对电器设备来说 ， 小也有更多的优势 。由于在MOSFET内部 ， 正极与负极之间存在间隙 ， 因此自然会形成一个寄生电容 ， 在开关状态发生变化时 ， 电容内部储存的电能也会成为热量逐渐消耗掉 。因此设备做小 ， 能成比例减少寄生电容电量 ， 将这些能量节省下来 ， 同时也能提高开关频率 。
因此综合来看 ， 碳化硅功率半导体天生具有高禁带宽度、高电子饱和速度和高导热率 ， 在应用上具有低能量耗散和耐高压、耐高电流的性能 ， 开关控制频率也有很大优势 ， 能为纯电动汽车带来更长续航里程和更强的动力 。至少当工程师在这两者间的平衡时 ， 能有更多选择 。虽然对比亚迪汉来说 ， 动力性能提高时碳化硅MOSFET带来地最直接提升 ， 但使用磷酸铁锂的情况下达到605公里的续航里程 ， 显然也有碳化硅的功劳 。这种平衡多指标最优化设计 ， 也是“工匠精神”的体现 。
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比亚迪汉电池、电机、电机控制器同框
既然碳化硅几乎全是优点 ， 为什么现在应用的企业不多呢？除了碳化硅作为第三代功率半导体元件发展时间短以外 ， 应用少也和碳化硅的性质有关 。由于碳化硅耐高压、高关断阻抗的性质 ， 也让其在关闭时 ， 电流变化迅速 ， 会出现电压冲击 。一方面这需要在驱动电路上做更多保护设计 ， 防止关断时电流冲击损耗碳化硅MOSFET和驱动电路 ， 另外 ， 这种变化也会不可避免地产生强烈地电磁辐射 ， 因此EMC设计要比硅基半导体复杂 。这些细节设计才是碳化硅MOSFET应用的拦路虎 ， 因此单单将碳化硅应用到汽车上 ， 就需要“工匠精神” 。
我们再回来看比亚迪汉 ， 虽然线条简洁干练 ， 但在细节上设计也非常用心 。特殊的机舱罩分缝啊、翼子板边缘的BYD DESIGN图标啊、车灯上方的三个蓝色装饰条啊、按钮上的中文字符啊 ， 等等 ， 设计上诚意满满 ， 是一款值得细细品味的好车 。
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比亚迪汉前机舱盖的分缝独特 ， 在常规视角看更有整体感
希望这篇文章 ， 能让大家了解什么是碳化硅 ， 也能关注到比亚迪汉 ， 除了刀片电池之外 ， 更多的细节设计和匠心独运 。
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