新能源汽车的助力剂—碳化硅器件 - 技术科普 - 新闻动态

新能源汽車的助力劑—碳化硅器件

日期：2021-12-01 瀏覽次數：次

在新能源汽(qi)車中，電力驅動(dong)系統是影(ying)響新能(neng)源汽(qi)車動(dong)力性能(neng)、可靠性和成本的關(guan)鍵(jian)因(yin)素。目(mu)前的電力驅動部(bu)分主要由硅（Si）基功率器件組成，但(dan)電動汽車的(de)發(fa)展，對(dui)電力驅動的小(xiao)型化和輕量(liang)化提出(chu)了更高(gao)的要求。由(you)于材料(liao)限制，傳統Si基功率器件在許多方面已經逼近甚至達到了其材料(liao)的本征極限，如(ru)電壓阻斷(duan)能力、正(zheng)向導通壓降等，尤其在高頻(pin)和高功率領域(yu)更顯示(shi)出(chu)其局(ju)限性。而SIC功率半導體器件憑借其優異性能被各大汽車產商所青睞，希望通過應用SiC功率器(qi)件(jian)大幅實現電動(dong)汽車逆(ni)變器(qi)和DC-DC轉換器(qi)驅動(dong)系統(tong)的(de)小型輕量化(hua)。

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圖1、特斯(si)拉(la)Model3

一(yi)、SIC功率半導體器件

SiC功(gong)率(lv)(lv)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)器件主(zhu)(zhu)要包括二極管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)，其(qi)中二極管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)主(zhu)(zhu)要有(you)(you)結勢壘(lei)肖(xiao)特基(ji)（JBS）功(gong)率(lv)(lv)二極管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)、pin功(gong)率(lv)(lv)二極管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)和(he)混合pin肖(xiao)特基(ji)二極管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)（MPS）；晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)主(zhu)(zhu)要有(you)(you)金屬(shu)氧化物半(ban)導(dao)體(ti)(ti)場效應晶(jing)體(ti)(ti)（MOSFET）、雙極型晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)（BJT）、結型場效應晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)（JFET）、絕緣柵雙極型晶(jing)體(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)（IGBT）和(he)門極可關斷(duan)晶(jing)閘管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)（GTO）等。

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圖2、全球SiC功率器件市場的(de)預(yu)測分析

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圖3、SiC功率半導體(ti)器件(jian)

二(er)、SIC功率半導體器件的優勢

1、高功率密度，降低功率模塊體積

SiC器(qi)件與(yu)Si器(qi)件相比，有(you)更高的電流密度。在相同功(gong)率等級下，SiC功(gong)率模(mo)塊的體(ti)積顯(xian)著(zhu)小于Si基絕緣柵雙(shuang)極(ji)型(xing)晶體(ti)管（IGBT）模(mo)塊。以智能(neng)功(gong)率模(mo)塊為例，利用SiC功率器件，其模(mo)塊體積可(ke)縮小至Si基功率模塊體積的1/3~2/3。

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圖4、碳化硅IPM與硅IGBT功(gong)率模塊(kuai)的(de)體積比較

2、低功(gong)率損耗(hao)，提高系統(tong)效(xiao)率或工作(zuo)頻率

提高能(neng)源利用效率對許(xu)多廠商來說是令人頭疼的難題。而SiC器件具有大幅提高設備的能源利用效率的特質。SiC功(gong)率(lv)模塊(kuai)與采用硅(gui)基IGBT的(de)功(gong)率(lv)模塊(kuai)相比，可將(jiang)開關損失降(jiang)低85%。另外，可(ke)實現(xian)100kHz以上的高速開關，其開關頻(pin)率比Si基IGBT模塊高10倍以上，提高(gao)開(kai)關頻率將(jiang)顯(xian)著減小電(dian)感器(qi)和(he)電(dian)容(rong)器(qi)等周邊部件的體(ti)積和(he)成本。

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圖5、碳化硅(gui)功(gong)率(lv)模塊和(he)硅(gui)IGBT功(gong)率(lv)模塊電力損耗(hao)比較

3、良(liang)好的(de)高溫(wen)穩定(ding)性，顯著減小散熱器體(ti)積降(jiang)低成本

由(you)于SiC器件的能量損耗只有Si器件的50%，所以發熱量也只有Si基器件的(de)50%；另(ling)外(wai)，SiC器(qi)件還有非常(chang)優異(yi)的(de)高(gao)溫(wen)穩定性。因(yin)此(ci)，散(san)熱(re)處理也更加容(rong)易(yi)進(jin)行(xing)，不但可(ke)以顯著減小散(san)熱(re)器(qi)的(de)體積，還可(ke)以實現逆變器(qi)與馬達(da)的(de)一體化。采(cai)用(yong)SiC SBDs器(qi)件散(san)熱(re)片的(de)體積大大減小。

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圖6、采(cai)用碳化硅(gui)器件和硅(gui)器件需要的散熱器對(dui)比

目(mu)前，電(dian)動汽車一(yi)般(ban)包含(han)2套水冷系統，一套是馬達冷卻系統，另一套是逆變器等電子設備的冷卻系統。通過采用SiC器件實現逆變器和馬達的一體化不但可以縮短逆變器與馬達之間的布線距離，還能整合以往逆變器和馬達需要分別配置的水冷卻系統，質量和體積大為降低。基于上述原因，SiC器件也被(bei)美譽為“重環保(bao)時代的關(guan)鍵元件”。SiC功率半(ban)導體已成為節能(neng)、高效、環保(bao)的代名詞。為此，汽(qi)車業界(jie)對SiC的期待(dai)十分迫切。

三、SIC功率半導體器件的應用

新能源汽車的發展(zhan)是SiC市場的最大驅動力。在新能源汽車領域，采用 SiC功率器件因其對電能較高的轉化效率可以提升電池的能量利用率；同時，因其功率密度大、高頻率可減少電力轉化模塊的體積和質量，也因其對高溫的耐受能力更強使其節省了散熱組件，實現了整車輕量化。

（1）2015年，特斯拉Model3開始采用分立SiC MOSFET的電機控制器。2018 年，采用了意法半導體生產的 SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。

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圖7、電動(dong)化(hua)車輛(liang)的SiC（SiC MOSFET）控(kong)制器(qi)

（2）2020年7月新上市的比亞迪－漢 EV 也搭載了高性SiC-MOSFET控制模塊，功率密度超過 30 kW/L。

（3）2020年11月精進電動宣布其300~600 kW 系列 SiC MOSFET 控制器，功率密度大于40 kW/L，在不同工況下比硅基控制器節能3%~6%。獲得了德國大眾商用車公司TRATON 集團客車和重卡等電動化商用車驅動電機控制器的量產合同。

（4）日本電裝公司與豐田汽車共同推出輸出功率密度高達60kW/L的逆變器。

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圖(tu)8、電裝碳化硅逆變器

（5）三菱電機開發內置逆變器的新型EV用馬達，構成逆變器的晶體管和二極管全部使用SiC。

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圖9、使用Si器件的傳統逆變器與使用SiC器件的新型逆變器對比

除了(le)上述新能源(yuan)汽車之外，在家電(dian)、軍(jun)工、航(hang)空(kong)航(hang)天、工業控制、智能電(dian)網(wang)等諸多領域(yu) SiC功率器件因其自身高性能的優勢也有初步使用或研發跟進。

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圖10、SiC器件在各行業中的應用及優勢

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圖11、SiC功率器件在其他方面應用

總結

在5G和新能源汽車等新興市場需求的驅動下，SiC材料有望迎來加速發展。但我國在SiC功率器件領域跟國外還有一定的差距等問題，特別是在以下3個方面差距巨大：（1）在SiC MOSFET 器件方面的研發進展緩慢，只有少數單位具備獨立的研發能力，存在一定程度上依賴國際代工企業制造芯片的弊病，容易受制于人，產業化水平不容樂觀。（2）SiC 芯片主要的工藝設備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設備、超高溫退火設備和高質量氧化層生長設備等，國內大規模建立SiC工藝線所采用的關鍵設備基本需要進口。（3）SiC器件高端檢測設備被國外所壟斷。

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