純電動(dòng)汽車經(jīng)歷多年的發(fā)展，終于能進(jìn)入全面競爭時(shí)代了。這里的全面競爭并不是指市場上的電動(dòng)車市場玩家有多少，而是指消費(fèi)者對純電動(dòng)汽車的關(guān)注點(diǎn)，已經(jīng)從續(xù)航里程這一個(gè)單一指標(biāo)，變成對車輛所有設(shè)計(jì)和指標(biāo)的通盤考慮。這種轉(zhuǎn)變既是因?yàn)?a class='link' href='http://m.155ck.com/tag/電池' target='_blank'>電池技術(shù)的發(fā)展讓車輛續(xù)航里程這種關(guān)鍵指標(biāo)滿足消費(fèi)者的需要，也是各個(gè)汽車企業(yè)開始認(rèn)真全面的考量與雕琢產(chǎn)品屬性、為消費(fèi)者呈現(xiàn)自己精心設(shè)計(jì)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(fèi)者的感覺，其實(shí)就是“工匠精神”。 

比亞迪漢是比亞迪汽車全新旗艦產(chǎn)品。應(yīng)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(fèi)者內(nèi)心、打消消費(fèi)者顧慮之處。我相信很多消費(fèi)者會(huì)為此心動(dòng)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(gè)產(chǎn)品屬性在純電動(dòng)汽車市場拼殺的。認(rèn)真研究的話，也會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是一款富有“工匠精神”、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)全面到位的產(chǎn)品。 

例如比亞迪“漢”的電機(jī)控制器中，應(yīng)用了碳化硅MOSFET模塊，雖然很多人會(huì)把他當(dāng)作技術(shù)創(chuàng)新來看待，但我認(rèn)為，這是一個(gè)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)的線圈上。甚至可以說，在電池到電機(jī)的串聯(lián)鏈路里，除了各種導(dǎo)線和連接器所造成的損耗外，其他的電能損耗全都在電機(jī)控制器的功率模塊上。因此在功率控制模塊上的改進(jìn)非常重要。

Si、4H-SiC、GaN 三種材料特性比較

比亞迪漢上應(yīng)用碳化硅材料，自然也是為了在動(dòng)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(dǎo)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(gè)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(qiáng)。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(jià)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(dǎo)體的3倍。

導(dǎo)體、半導(dǎo)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(dòng)，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(gè)需要獲得的能量就是禁帶。碳原子的束縛能力強(qiáng)，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(dòng)的高軌道，這就是“寬禁帶功率半導(dǎo)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(dǎo)體幾乎都達(dá)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(dǎo)體成為了未來主要發(fā)展方向。

各種硅基功率半導(dǎo)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(qiáng)，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(jī)設(shè)計(jì)來說，也更容易在小體積下實(shí)現(xiàn)更高功率，也因此，比亞迪漢可以輕松實(shí)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(shí)，能有更高的電阻，也就是在關(guān)閉的時(shí)候，不需要的能量損失更小。在這里有兩方面的好處，一個(gè)是當(dāng)需要通路關(guān)閉時(shí)，能實(shí)現(xiàn)更徹底的關(guān)閉，減少電能消耗，另一個(gè)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(jī)控制上，顯然非常重要。一方面可以實(shí)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(jī)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(gè)是飽和電子速度更高，一個(gè)是導(dǎo)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(jì)時(shí)，匹配的電流強(qiáng)度更容易遠(yuǎn)離設(shè)備的飽和電流，也就能實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)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(jì)。特別是在瞬時(shí)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(qiáng)的導(dǎo)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(shí)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(shí)現(xiàn)0-100加速 

低電阻和耐高壓兩個(gè)特性結(jié)合，對工程設(shè)計(jì)來說，更多時(shí)候不是設(shè)備性能直接提升，而會(huì)通過較少材料使用，讓設(shè)備的整體性能達(dá)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(fù)極之間存在間隙，因此自然會(huì)形成一個(gè)寄生電容，在開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，電容內(nèi)部儲存的電能也會(huì)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(shí)也能提高開關(guān)頻率。 

因此綜合來看，碳化硅功率半導(dǎo)體天生具有高禁帶寬度、高電子飽和速度和高導(dǎo)熱率，在應(yīng)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(dòng)汽車帶來更長續(xù)航里程和更強(qiáng)的動(dòng)力。至少當(dāng)工程師在這兩者間的平衡時(shí)，能有更多選擇。雖然對比亞迪漢來說，動(dòng)力性能提高時(shí)碳化硅MOSFET帶來地最直接提升，但使用磷酸鐵鋰的情況下達(dá)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(biāo)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，也是“工匠精神”的體現(xiàn)。

比亞迪漢電池、電機(jī)、電機(jī)控制器同框

既然碳化硅幾乎全是優(yōu)點(diǎn)，為什么現(xiàn)在應(yīng)用的企業(yè)不多呢？除了碳化硅作為第三代功率半導(dǎo)體元件發(fā)展時(shí)間短以外，應(yīng)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(shí)，電流變化迅速，會(huì)出現(xiàn)電壓沖擊。一方面這需要在驅(qū)動(dòng)電路上做更多保護(hù)設(shè)計(jì)，防止關(guān)斷時(shí)電流沖擊損耗碳化硅MOSFET和驅(qū)動(dòng)電路，另外，這種變化也會(huì)不可避免地產(chǎn)生強(qiáng)烈地電磁輻射，因此EMC設(shè)計(jì)要比硅基半導(dǎo)體復(fù)雜。這些細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)才是碳化硅MOSFET應(yīng)用的攔路虎，因此單單將碳化硅應(yīng)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(xì)節(jié)上設(shè)計(jì)也非常用心。特殊的機(jī)艙罩分縫、翼子板邊緣的BYD DESIGN圖標(biāo)、車燈上方的三個(gè)藍(lán)色裝飾條、按鈕上的中文字符等等，設(shè)計(jì)上誠意滿滿，是一款值得細(xì)細(xì)品味的好車。 

比亞迪漢前機(jī)艙蓋的分縫獨(dú)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(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和匠心獨(dú)運(yùn)。

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