碳化硅是什么材料芯片(碳化硅是什么材料芯片的)

最近关于特斯拉有两条新闻，一条属于社会新闻，大家估计都知道：马斯克来了中国，见了很多大佬，还去了上海考察了上海的特斯拉工厂，视察了新款毛豆3的进度。

而另一条行业新闻，大家则可能不太熟悉，但同样很劲爆：特斯拉在不久前的投资者电话会议上宣布，未来要减少对SiC碳化硅材料功率模块的应用，同时还透露，会在接下来的特斯拉产品中，逐渐减少驱动电机中稀土材料的使用，最终做到无稀土电机。

在投资市场上，这两个消息一出来，影响非常剧烈。

美国、澳大利亚、英国和我国的碳化硅相关股票和碳化硅概念股统统应声下跌。

同时，我国几家大的稀土企业（央企）都出现了明显的股价下跌。

当然到现在我们看到的是，碳化硅的实业股已经涨回来了，概念股还在低位，而稀土股在应声下跌后的没多久又涨回去了。

作为普通百姓，我们更关注的还是这两件事本身：碳化硅芯片是啥？特斯拉为啥要减少使用？为什么要减少驱动电机中的稀土？做无稀土电机有多难？以及可能是最关键的问题：特斯拉，是不是在加速摆脱对中国产业的依赖？

大家可能有所不知的是，如今在大力“去碳化硅”的特斯拉，其实就是碳化硅一开始最大的支持者和最大的宣传者。

但这碳化硅到底是个啥？这玩意全名碳化硅功率模块芯片，简单来说，这是一块比成年人的拇指甲大不了多少的芯片，但别看它小，它是纯电动车三电系统中的电控系统中，最核心的东西。

功率模块芯片的作用其实很简单：交直流转换。

但它却决定了一台车整个核心电气系统所有性能。

它为什么重要？首先，纯电车用的是交流同步电机（这也是你听不到电机的VVVF调频音的原因），用的是交流电，而电车的电池提供的是直流电。

这里需要功率模块芯片进行交直流转换，转换的效率直接决定着电机能实际从电池获得多少电（交直流转换有损耗率），也能直接决定着电机使用电池提供的电的效率。

简单地说，功率模块芯片直接控制着一台车的电耗和性能两个最重要的指标。

另外一点，目前的所有充电桩都是交流电，但电池只能接受直流电，这里也需要功率模块进行交直流转换。

这个转换的效率，直接决定着一台车的充电速度。

所以如果你看到一台车，明明三电系统看着数据都很棒，但电耗出奇的高，性能也不大行，充电速度还比别人慢，这极有可能就是功率模块芯片的锅。

所以大家知道功率模块对于电车有多重要了吧？聪明的你一定从上文也能知道，功率模块芯片的关键在于交直流转换效率。这，就是碳化硅一开始被特斯拉造神，现在被整个行业追捧的原因了。

功率模块芯片是一块半导体芯片，它处于长期高负荷的运行状态下，半导体芯片在长时间高负荷状态下，一定会产生高温，而温度过高会触发芯片内部的保护机制，会强制降低芯片运算速度，直接导致功率模块芯片的交直流转换效率剧烈下跌，甚至可能会出大事（例如把未完全滤波的交流电输入给电池，可能会引发电池热失控）。

所以你看到这儿也能看出来了，功率模块芯片最重要的，是要保证它的温度别太高。

传统的IGBT属于硅基芯片，这种东西跟我们手机电脑上的CPU一样，都是很容易发热，而且热耐受度不高的。

2018年，特斯拉从当时风靡全球饰品领域，被很多妹子深恶痛绝的“假钻石”中，看到了假钻石的原料---莫桑石对于超高温的强大耐受力。

因为莫桑石能做成假钻石，就是通过极高温激光切割来的，普通的高温对于这种材料根本不能动其分毫。

通过非常复杂的工艺，一家名为CREE（现在叫Wolfspeed）的公司，成功地以莫桑石为原料，打造出了第一种可以大规模量产的SiC碳化硅基底的功率模块芯片。

这种芯片相比起硅基的IGBT芯片，温度耐受力高达5-8倍，能在非常高温的环境中持续稳定工作。

而纯电车功率模块芯片的工作环境，正好就相当恶劣（主要是温度高）。

最关键的是，以前为了给IGBT芯片散热，车企必须做一个庞大的，成本高昂的液冷散热模块，但有了碳化硅芯片，散热系统的成本可以直接省一大截，对于“成本控制之王”的特斯拉来说，当然就有了大力上马，大力推广碳化硅芯片的动力了。

在特斯拉之后，国内的车企们也纷纷大手笔入局碳化硅市场。

直到现在，中国已经是全球规模最大的碳化硅市场，无论是技术还是产量上都是全球第一，遥遥领先于第二的美国。

美国之所以远远落后，其实不是技术问题，是美国自己的产业空心化，导致空有技术但造不出来，技术没法迭代的关键原因。

看到这你可能要说了，那特斯拉现在要减少碳化硅芯片的使用，就是跟中国“脱钩”呗！马斯克狼子野心！话不能这么说，其实特斯拉现在亲手把当年自己“造得神”给赶下神坛，跟中国没啥关系，跟碳化硅芯片本身的技术开发难度有关系。

碳化硅芯片有个很大的技术难题：长晶时间太慢、属性太脆。

前者导致了碳化硅本身需要比硅基芯片长得多的时间才能长出来，才能长好。

而后者则导致了，在碳化硅芯片的整个制造过程中，无论是光刻、切割等各工序，稍有不慎就会导致碳化硅晶体折断，整个芯片只能报废掉。

换句话说，无论是美国中国还是其他国家，到现在都没办法解决碳化硅芯片的良率问题。

良率低，直接导致成本高。

这对于单品牌出货量相对还不大，或者是产品线足够长，SKU足够多的车企来说（例如比亚迪，就是典型的SKU很多的例子）倒没啥，但对于特斯拉这种出货量大，而且SKU极少的车企（特斯拉现在出货的SKU满打满算就5个）来说就要了亲命了。

更关键是，特斯拉的老大，还是一个视高成本为“一生之敌”的人，这家公司削减脑袋都在想着降低成本，哪可能接受一个功率模块芯片，批量出货价格像坐了自家SpaceX火箭一样年年暴涨？

所以特斯拉砍碳化硅是必然的。至于换回IGBT芯片后可能产生的散热问题，特斯拉也已经表示，正在开发一种成本低的，又能满足IGBT芯片散热的低成本散热系统。

说完了功率模块，接下来说说电机，这是一个更多人不知道的领域。

我们前面说到，特斯拉打算在以后的时间里不断减少驱动电机的稀土使用，最终达到完全不使用稀土。

而目前全球稀土，基本上是中国处于垄断性地位，特斯拉这个表态出来很容易就会让人觉得，这是不是特斯拉在减少对中国稀土产业链的依赖，打算做某种程度的“脱钩”？

脱不脱钩，我们作为汽车媒体不便评述，但特斯拉在驱动电机上减少，最终完全不使用稀土，的的确确就是在减少对中国稀土的依赖。

大家可能不知道稀土材料对于驱动电机来说有多重要。

我们都知道稀土很重要，但你可能不知道的是，稀土之所以重要，是它们能提供其他天然材料和所有人工合成材料都无法匹敌的物理特性。

例如某些稀土能提供强到离谱的电子迁移率，这对于战斗机做先进雷达，先进的导弹，乃至高超音速导弹都很有帮助。

而另一些稀土能提供非常大的电流通过能力，这就使得用了这些稀土的驱动电机，能在体型更小重量更轻的前提下，能实现输出功率更大，发热量更低。

现在大家在很多国产新车上看到的那些什么“多合一电机”，其实都有一个条件，那就是电机本身要足够小，怎么能保持大功率，甚至做更大功率的前提下还能缩小电机体积呢？就得用更多的稀土。

特斯拉这条消息同时提到一个消息，减少稀土的决定，会被应用于中国以外的市场，换句话说，特斯拉在中国国内制造的车，仍然会用稀土电机。而目前中国稀土仍然在不断出口，且价格稳定，没有上调价格的趋势。

实际上，对于目前这两条消息，我们判断特斯拉还是根据成本控制来作出的战略性决策。

这种决策不是战术性质的，不是短期的，很可能是一个长期政策。

而至于特斯拉这两个举动会不会对国内的电车企业有什么影响，我们的看法是不会。

无论是碳化硅芯片还是稀土电机，这都是我国有实业优势的领域，对于这两个方面没有优势的特斯拉来说，这些是不可控变量，需要规避风险。但对于我国的车企们来说，其实环境要比特斯拉更优秀许多。

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碳化硅是什么材料芯片的

SiC材料凭借其出色的热导率和禁带宽度，使其在高温工作、高阻断电压、低损耗以及开关速度快方面展现出显著优势。

与Si材料相比，SiC能承受更高的工作温度，一般能到600ºC。

在相同功率等级下，SiC器件能显著减少设备中功率器件的数量、散热器的体积、滤波元件体积，并提升整体效率。

SiCMOSFET在开发与应用中，导通电阻和开关损耗大幅降低，适用于更高工作频率，且高温稳定性优异。

一、SiCMOSFET的Vd-Id特性

SiCMOSFET与IGBT不同，不存在开启电压，因此在宽电流范围内都能实现低导通损耗。

相比于室温下SiMOSFET导通电阻可能增加2倍，SiCMOSFET的导通电阻上升率较低，易于热设计，且在高温下的导通电阻也较低。

二、驱动门极电压与导通电阻

SiCMOSFET的漂移层阻抗较低，但MOS沟道部分的迁移率较低，导致沟道阻抗高于Si器件。

因此，提高门极电压可以得到更低的导通电阻，推荐使用Vgs=18V进行驱动。

使用一般IGBT和SiMOSFET的驱动电压Vgs=10~15V时，无法充分发挥SiC的低导通电阻性能。

三、Vg-Id特性

SiCMOSFET的阈值电压在数mA时与SiMOSFET相当，室温下约为3V（常闭）。但当电流达到几A时，门极电压在室温下需要约为8V以上，对误触发的耐性与IGBT相当。温度升高会导致阈值电压降低。

四、Turn-on特性

SiCMOSFET与Si-IGBT和SiMOSFET的Turn-on速度相近，大约几十ns。

但在感性负载开关时，由于下臂二极管的恢复电流导致损耗较大，这与Si-IGBT和Si-MOSFET中的体二极管性能偏差有关。

五、Turn-off特性

SiCMOSFET的最大特点是原理上不会产生尾电流，最大开关损耗仅为IGBT的约10%，有利于节能和散热设备的小型化。

且在高温下，SiCMOSFET的开关损耗几乎不受影响，可以进行50KHz以上的高频开关动作。

六、高频化与滤波器小型化

高频化使得电路设计更为灵活，滤波器等被动器件可以实现小型化。

七、内部门极电阻

SiCMOSFET的内部门极电阻与门极电极材料的薄层阻抗和芯片尺寸相关。尽管结电容较小，但门极电阻也较大。推荐使用几Ω左右的外部门极电阻实现快速开关。

八、门极驱动电路

SiCMOSFET是一种易于驱动的电压驱动型开关器件。推荐的驱动门极电压为ON侧+18V，OFF侧0V。在要求高抗干扰性和快速开关的情况下，也可以施加-3~-5V左右的负电压。

九、体二极管的Vf和逆向导通

SiCMOSFET体内存在体二极管，开启电压约为3V，正向压降（Vf）较高。逆向并联外置二极管时，不需要串联低压阻断二极管。通过向门极输入导通信号使体二极管逆向导通，可以降低体二极管的Vf问题。

十、体二极管的恢复特性

SiCMOSFET的体二极管恢复特性与SBD相同，具有超快速恢复性能，与IGBT外置的FRD相比，恢复损耗大幅降低。

体二极管的恢复时间不受正向输入电流If的影响，在逆变器应用中，即使只由MOSFET构成桥式电路，也能实现非常小的恢复损耗，有助于减少噪音。