芯耀
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一、eVTOL 动力系统架构与功率器件核心作用
1.1 分布式电推进系统的技术革新
在城市空中交通（UAM）的宏伟蓝图中，电动垂直起降飞行器（eVTOL）宛如一颗冉冉升起的新星，备受瞩目。它打破了传统航空的束缚，以创新的姿态为解决城市拥堵难题带来了曙光。eVTOL 之所以能实现这一壮举，其独特的分布式电推进系统功不可没。
从外观上看，eVTOL 多采用多旋翼 / 倾转旋翼构型 ，像是科幻电影中未来飞行器的现实版本。它的飞行奥秘就藏在那 8 - 16 个电机集群里，这些电机可不是简单的堆积，它们是 eVTOL 实现垂直起降与水平巡航的关键动力源。每个电机都配备有对应的功率控制器，如同飞行器的 “动力管家”，精准调控着电机的运行状态。而高压配电网络则像一张密密麻麻的 “能源高速公路”，将能量高效地输送到各个电机，确保整个系统的稳定运行。
在实际运行中，eVTOL 的功率器件面临着严苛的考验。电机需要在高频启停的状态下工作，开关频率超过 20kHz，这就好比一个运动员要在短时间内不断地冲刺、急停，对其 “体力” 和 “耐力” 是极大的挑战。宽温域（-40℃~125℃）的环境变化，从极寒的高空到炎热的地面，功率器件要始终保持稳定。飞行器飞行时的振动也会对其产生影响。为了满足这些需求，典型单机功率密度需突破 15kW/kg ，这就促使 SiC MOSFET（碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管）逐渐替代传统 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。SiC MOSFET 凭借其出色的高频特性、低导通电阻和耐高温性能，成为了 eVTOL 动力系统的理想选择。
1.2 功率器件芯片的全域覆盖场景
如果把 eVTOL 比作一个有生命的机体，那么功率器件芯片就是它的 “神经系统”，贯穿于能量转换的全链路，从电机驱动逆变器到电池管理系统（BMS），从充电接口到飞控电源，无处不在。
在电机驱动逆变器中，功率器件就像一个 “能量魔法师”，将电池的直流电巧妙地转换为交流电，为电机提供源源不断的动力，控制着电机的转速和扭矩，让 eVTOL 能够灵活地飞行。以 600kW 级 eVTOL 为例，单台飞行器需集成 400 - 600 颗 SiC MOSFET 单管（如 Fraunhofer IZM 方案），这些小小的芯片紧密协作，共同完成能量的高效转换。为了确保 SiC MOSFET 的稳定运行，还需要配合 20 - 30 颗隔离驱动芯片，它们如同 “信号使者”，将控制信号精准地传递给功率器件，实现对电机扭矩的精准控制。
电池管理系统（BMS）中的功率器件也起着至关重要的作用。它时刻监控着电池的状态，确保电池在安全、高效的状态下运行。当电池充电时，功率器件控制着充电电流和电压，防止电池过充；当电池放电时，它又能保证放电的稳定性，延长电池的使用寿命。
在充电接口处，功率器件负责将外部电源的电能安全、高效地传输到电池中。不同的充电方式，如快充、慢充，都离不开功率器件的精确调控。飞控电源中的功率器件则为飞行器的飞行控制系统提供稳定的电源，确保飞控系统能够准确地接收和处理各种飞行数据，保障飞行的安全。
二、核心部位功率器件技术要求深度解析
2.1 电机驱动系统：高频高效的性能攻坚
2.1.1 主逆变器芯片选型要点
在 eVTOL 的电机驱动系统中，主逆变器就像是一个 “动力心脏”，负责将电池的直流电转换为交流电，为电机提供强劲的动力。而主逆变器芯片的选型，则是确保这颗 “心脏” 高效跳动的关键。
为了满足 eVTOL 对轻量化和高效率的追求，主逆变器芯片需要具备一系列卓越的性能。开关频率需达到 100 - 300kHz ，这就好比一个运动员具备了超高的爆发力，能够在短时间内快速切换能量输出。如此高的开关频率，可以有效降低电感体积，让整个驱动系统更加紧凑轻便。同时，导通电阻（Rds (on)）需≤10mΩ・cm² ，这意味着电流在通过芯片时的阻力极小，能够大大减少铜损，提高能源利用效率。
碳化硅（SiC）MOSFET 凭借其独特的优势，成为了主逆变器芯片的理想之选。它具有出色的高温特性，结温可高达 175℃ ，就像一个耐高温的勇士，在恶劣的环境下依然能够稳定工作。这一特性使得 eVTOL 可以采用空气对流散热的方式，例如空客 CityAirbus 方案，通过巧妙利用飞行器自身产生的气流，实现热量的有效散发。与传统的液冷方案相比，空气对流散热方案成功减重 30% ，为 eVTOL 的轻量化设计做出了重要贡献。
小鹏汇天的 eVTOL 在电机驱动系统上就采用了 800V SiC 逆变器，这一技术创新带来了显著的成效。其效率高达 98.5% ，使得能量的转换更加高效，减少了能源的浪费。同时，它还支持 15 分钟快速补能，就像给运动员快速补充能量一样，大大提高了 eVTOL 的使用便利性和运营效率。
2.1.2 冗余驱动电路设计挑战
在 eVTOL 的飞行过程中，安全是至关重要的。为了确保电机驱动系统在任何情况下都能稳定运行，冗余驱动电路的设计成为了关键的挑战。
航空级的安全标准对 eVTOL 提出了极高的要求，例如 DO - 160G 振动等级，这意味着驱动电路要能够承受剧烈的振动而不出现故障。为了满足这一标准，通常会采用三冗余 IGBT/SiC 混合架构。这种架构就像为驱动系统上了三道保险，即使其中一个部分出现故障，其他部分也能迅速接管工作，确保电机的正常运转。
隔离驱动芯片在冗余驱动电路中扮演着重要的角色，它需要具备强大的耐压能力，以应对各种突发情况。像 BASiC 基本股份的产品，能够具备 8000V 浪涌耐压 ，就像一个坚固的盾牌，能够有效抵御高电压的冲击。同时，它还集成了主动门极控制技术，这一技术就像一个智能的指挥官，能够精准地控制门极的开关，抑制电磁干扰（EMI），确保驱动信号的稳定传输。
在面对故障时，冗余驱动电路需要具备快速的故障重构能力，能够在 50μs 内完成切换 ，就像一个敏捷的战士，迅速做出反应。通过这种快速的故障重构，eVTOL 可以在不中断飞行的情况下，继续安全地完成任务，为乘客的生命安全提供了可靠的保障。
2.2 能源管理系统：高压化与高可靠性平衡
2.2.1 电池接口 DC-DC 转换器要求
eVTOL 的能源管理系统就像是一个精细的 “能量管家”，负责合理分配和管理电池的能量。而电池接口 DC - DC 转换器，则是这个 “管家” 中的关键成员，它承担着将电池的高压电能转换为适合飞行器各个系统使用的低压电能的重要任务。
eVTOL 的电池电压通常在 350 - 1000V 的范围内 ，这就要求 DC - DC 转换器能够适配如此宽的电压输入。它需要像一个灵活的 “变压器”，将高压的母线电压稳定地转换为 12V 或 28V 的低压系统电压，为飞行器的电子设备、控制系统等提供稳定的电源。
碳化硅（SiC）二极管在 DC - DC 转换器中展现出了独特的优势。它的反向恢复电荷（Qrr）<50nC ，这一特性使得它在电流反向时能够迅速恢复，大大降低了续流损耗，相比传统器件可降低 30% 。配合 LLC 谐振拓扑结构，DC - DC 转换器能够实现 97% 以上的高效率，就像一个高效的能量转换机器，将电能的浪费降到最低。同时，其典型功率密度达 50W/in³ ，在有限的空间内实现了更高的功率输出，为 eVTOL 的紧凑设计提供了可能。
2.2.2 电池管理芯片的严苛环境适应
电池管理芯片是 eVTOL 能源管理系统的 “智慧大脑”，它时刻监控着电池的状态，确保电池在安全、高效的状态下运行。然而，eVTOL 的飞行环境极其严苛，这对电池管理芯片提出了极高的要求。
在温度方面，电池管理芯片需要在 - 40℃~85℃的宽温度范围内保持稳定的性能。在这个温度区间内，它要确保电压测量精度达到 0.1% ，就像一个精准的温度计，能够准确地感知电池的电压变化。同时，它还需要承受 10g 的振动加速度 ，在剧烈的振动中依然能够正常工作，不出现数据偏差或故障。
高压互锁（HVIL）芯片也是电池管理系统中的重要组成部分，它主要负责检测电池包的高压回路是否正常。它需要支持 500V 以上的耐压 ，就像一个坚固的防护闸，能够承受高电压的冲击。并且，它要具备毫秒级的短路检测能力，能够在瞬间发现电路中的短路问题。一旦检测到异常，它能确保电池包在碰撞时 0.2s 内完成高压断电 ，就像一个快速的开关，迅速切断电源，避免发生危险，为 eVTOL 的安全飞行提供了坚实的保障。
2.3 辅助控制系统：微型化与高集成需求
2.3.1 飞控电源的抗干扰设计
飞控系统是 eVTOL 的 “导航大脑”，它负责控制飞行器的飞行姿态、航线等关键参数，确保飞行的安全和稳定。而飞控电源则是这个 “大脑” 的 “能量源泉”，为其提供稳定可靠的电力支持。然而，在 eVTOL 复杂的电磁环境中，飞控电源面临着严峻的抗干扰挑战。
为了满足飞控系统对电源稳定性的严格要求，飞控电源通常采用高压降压（Buck）架构，将 600V 的母线电压转换为 24V 的稳定输出。在这个过程中，电源纹波需≤50mV ，就像平静的湖面，几乎没有波动。如此低的纹波可以避免对飞控传感器产生干扰，确保传感器能够准确地采集飞行数据，为飞控系统提供可靠的决策依据。
碳化硅（SiC）功率模块凭借其低寄生电感（<10nH）的优势，成为了飞控电源抗干扰设计的理想选择。低寄生电感就像一条畅通无阻的道路，能够减少电磁干扰的产生。配合多层 PCB 布局，通过合理规划电路走线，进一步降低了电磁干扰的传播。这样的设计可以将 EMI 辐射控制在 CISPR 25 Class 5 标准以内 ，使得飞控电源在复杂的电磁环境中依然能够稳定工作，为飞控系统的正常运行提供了可靠的保障。
2.3.2 液压 / 气动系统驱动要求
在 eVTOL 的辅助控制系统中，液压 / 气动系统负责控制飞行器的襟翼、起落架等关键部件，对飞行的安全性和操控性起着至关重要的作用。而用于襟翼控制的伺服电机驱动器，则是液压 / 气动系统中的关键执行元件。
为了实现对襟翼的精确控制，伺服电机驱动器需要支持 400Hz 正弦波调制 ，就像一个精准的舞者，能够按照特定的节奏和频率运动。碳化硅（SiC）MOSFET 的快速开关特性使得驱动器能够实现 ±0.1° 的角度控制精度 ，可以精确地调整襟翼的角度，从而优化飞行器的飞行性能。
此外，由于 eVTOL 的飞行环境复杂多变，伺服电机驱动器还需要具备良好的防护性能。它需通过 IP67 防护等级认证 ，这意味着它能够在灰尘、水等恶劣环境中正常工作。在高湿度（95% RH）的环境下，它也不会出现漏电失效的情况，就像一个防水防尘的坚固堡垒，确保液压 / 气动系统的稳定运行，为 eVTOL 的安全飞行保驾护航。
三、技术挑战与未来演进方向
3.1 工程化落地三大核心难题
3.1.1 散热与封装技术瓶颈
在 eVTOL 的发展进程中，散热与封装技术成为了阻碍其工程化落地的关键瓶颈之一。随着 eVTOL 功率密度的不断提升，功率器件在运行过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地散发出去，将会严重影响器件的性能和可靠性。
当前，SiC 模块的热阻（Rth (j-c)）需从 5℃/W 降至 3℃/W 以下 ，这是一个极具挑战性的目标。为了实现这一目标，双面散热封装技术成为了研究的热点。以 Littelfuse 方案为代表，通过在芯片的上下两面同时进行散热，配合氮化硼陶瓷基板，可将散热效率提升 40% 。氮化硼陶瓷基板具有高热导率和低热膨胀系数的特性，能够有效地将芯片产生的热量传导出去，确保芯片在高温环境下的稳定运行。
空气冷却系统在 eVTOL 中也起着重要的作用。为了确保芯片结温波动≤10℃ ，需要对空气冷却系统的流道进行优化设计。通过采用先进的计算流体力学（CFD）技术，对空气流道进行模拟和分析，优化流道的形状和布局，提高空气的流速和散热效率。同时，还可以在流道中添加散热鳍片等结构，进一步增大散热面积，提高散热效果。
3.1.2 航空级认证体系构建
航空级认证体系的构建是 eVTOL 工程化落地的又一关键难题。eVTOL 作为一种新型的飞行器，其安全性和可靠性至关重要。为了确保 eVTOL 的飞行安全，功率器件芯片需要通过一系列严格的航空级认证。
其中，DO - 254 芯片级认证和 DO - 160G 环境试验是最为关键的两项认证。DO - 254 芯片级认证要求芯片经过 2000 小时的 HTOL 测试 ，以验证其在高温环境下的长期可靠性。DO - 160G 环境试验则涵盖了各种恶劣的环境条件，包括 150dB 的噪声暴露 ，以确保芯片在复杂的飞行环境中能够正常工作。
国产厂商如国扬电子，积极应对这一挑战，已建立本土化测试平台。通过自主研发和创新，国扬电子成功实现了 3.3kV SiC MOSFET 的航空级可靠性验证。这一成果不仅为国产功率器件芯片在 eVTOL 领域的应用奠定了坚实的基础，也标志着我国在航空级功率器件技术方面取得了重要突破。
3.1.3 成本与量产规模悖论
成本与量产规模之间的悖论，也是 eVTOL 工程化落地过程中必须解决的难题之一。目前，eVTOL 的制造成本仍然较高，其中功率器件芯片的成本占据了较大的比例。为了降低 eVTOL 的制造成本，提高市场竞争力，需要降低功率器件芯片的成本。
以单颗 650V/20A SiC MOSFET 为例，其价格需从$$50降$$20 以下 ，这需要在技术和生产规模上取得突破。8 英寸晶圆量产技术的出现，为降低成本提供了可能。例如天科合达产线，通过采用 8 英寸晶圆量产技术，可将衬底成本降低 60% 。随着量产规模的不断扩大，规模化效应将逐渐显现。预计到 2030 年，eVTOL 用 SiC 器件成本较 2025 年将下降 40% ，这将大大降低 eVTOL 的制造成本，推动其商业化进程。
3.2 下一代技术演进方向
3.2.1 材料与结构创新
在 eVTOL 功率器件芯片的发展历程中，材料与结构创新始终是推动技术进步的核心动力。当前，碳化硅（SiC）衬底作为 eVTOL 功率器件的关键材料，正朝着更大尺寸和更高性能的方向发展。
碳化硅衬底向 150mm（6 英寸）以上过渡，是当前的一个重要发展趋势。更大尺寸的衬底可以在相同的制造工艺下，生产出更多的芯片，从而降低单位芯片的制造成本。同时，大尺寸衬底还可以提高芯片的一致性和可靠性，为 eVTOL 的大规模应用提供有力支持。
除了碳化硅衬底，氧化镓（Ga2O3）器件在 10kV 以上高压场景的应用也成为了研究的热点。氧化镓具有更高的击穿电场强度和更低的导通电阻，在高压应用中具有潜在的优势。虽然目前氧化镓器件的技术还不够成熟，但随着研究的不断深入，有望在未来的 eVTOL 高压功率器件中得到应用。
在结构创新方面，3D 堆叠封装技术正逐渐崭露头角。这种技术通过将多个芯片在垂直方向上进行堆叠，可以有效提升功率密度 50% 。同时，3D 堆叠封装技术还可以实现单模块集成 6 相逆变器功能，大大简化了 eVTOL 的电路设计，提高了系统的可靠性和稳定性。
3.2.2 智能化与集成化趋势
智能化与集成化是 eVTOL 功率器件芯片未来发展的重要趋势。随着科技的不断进步，智能功率模块（IPM）应运而生。IPM 集成了驱动电路、保护功能及温度传感器等多种功能，实现了功率器件的智能化控制。
通过集成温度传感器，IPM 可以实时监测芯片的温度，当温度过高时，自动调整功率输出，避免芯片过热损坏。同时，IPM 还支持实时健康管理，通过对芯片的运行数据进行分析，实现预测性维护，提前发现潜在的故障隐患，提高 eVTOL 的安全性和可靠性。
车规级功能安全标准（ISO 26262 ASIL - D）向航空领域的迁移，也推动了 eVTOL 功率器件芯片的智能化与集成化发展。这一标准要求芯片具备高度的可靠性和安全性，通过采用冗余设计等技术，确保在任何情况下，芯片都能正常工作。在芯片设计中，采用双备份的电源管理电路，当一个电路出现故障时，另一个电路可以立即接管工作，确保芯片的稳定运行。这种芯片级冗余设计的普及，将为 eVTOL 的安全飞行提供更加可靠的保障。
四、国产芯片的突围机遇与产业生态
4.1 本土化供应链优势构建
在全球科技竞争的大舞台上，国产芯片正凭借着本土化供应链的独特优势，在 eVTOL 领域崭露头角，逐步打破国际巨头的垄断局面。
国内厂商在功率器件芯片领域取得了显著的进展，特别是在 650V/1200V SiC MOSFET 产品矩阵方面，已实现了全面覆盖。这一成就的背后，是国内厂商不断的技术创新和研发投入。以士兰微为例，其产品的导通电阻较 2020 年降低了 30%，达到了 9mΩ・cm² ，这一数据不仅体现了士兰微在技术上的突破，也展示了国产芯片在性能上的提升。
为了更好地满足 eVTOL 的特殊需求，国内厂商积极与整机厂展开深度合作。与亿航智能、峰飞航空等整机厂联合开发，共同定制适用于 eVTOL 的功率器件芯片。在这个过程中，耐振动封装和高温焊料成为了关键的技术突破点。通过不断的试验和改进，成功研发出了振动耐受≥20g 的耐振动封装技术，以及熔点 > 250℃的高温焊料。这些技术的应用，使得国产功率器件芯片能够在 eVTOL 复杂的飞行环境中稳定工作，为 eVTOL 的安全飞行提供了可靠的保障。
本土化供应链的优势还体现在供应链的稳定性和响应速度上。国内厂商能够更快速地响应整机厂的需求，提供更及时的技术支持和售后服务。在芯片供应紧张的情况下，本土化供应链能够更好地保障 eVTOL 的生产进度，降低因供应链中断而带来的风险。
4.2 政策与资本双重加持
在国产芯片的发展道路上，政策与资本如同两大强劲的引擎，为其提供了源源不断的动力，助力其在 eVTOL 领域实现快速发展。
“十四五” 航空专项明确提出支持功率半导体国产化，这一政策的出台，为国产芯片的发展指明了方向，也为其提供了政策保障。在政策的引导下，国内企业加大了在功率半导体领域的研发投入，积极开展技术创新，努力提升国产芯片的性能和质量。
科创板的设立，为国产芯片企业提供了重要的融资平台。中芯国际、三安集成等企业通过科创板融资，加速了 8 英寸 SiC 产线的建设。这些企业的产线建设，不仅提升了国产 SiC 芯片的产能，也推动了国产芯片技术的进步。随着产线的不断完善和技术的不断成熟，国产 SiC 模块在 eVTOL 市场的渗透率有望大幅提升。预计到 2025 年，国产 SiC 模块在 eVTOL 市场的渗透率将突破 30% ，到 2030 年，这一比例将达到 70% 以上。
资本的涌入，也为国产芯片企业带来了更多的发展机遇。除了科创板融资外，众多投资机构纷纷看好国产芯片在 eVTOL 领域的发展前景，加大了对相关企业的投资力度。这些资金的注入，为企业的研发、生产和市场拓展提供了有力的支持，加速了国产芯片在 eVTOL 领域的产业化进程。
结语：功率器件定义 eVTOL 性能天花板
从续航里程到安全冗余，从制造成本到适航认证，功率器件芯片堪称 eVTOL 的 “电力心脏”。随着 SiC 技术进入成熟期，国产厂商正从材料、器件到系统级解决方案全面突破，推动低空经济从概念走向现实。未来，功率密度每提升 10%，都可能重新定义城市空中交通的商业半径 —— 而这一切，始于芯片级的技术深耕。
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