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碳化硅器件在電動汽車領域的應用前景簡析

文章出處:人氣:124發表時間:2018-1-19 16:28:40

工業的蓬勃發展,全球能源消耗逐年增加。在我國,機動車污染已成為空氣污染的重要來源,是造成灰霾、光化學煙霧污染的重要原因,機動車污染防治的緊迫性日益凸顯。節能減排已成為汽車業發展的重大課題。因此,大力發展新能源汽車是實現節能減排,促進我國汽車產業可持續發展的戰略性措施。


    目前,EV(純電動汽車)和HEV(混合動力汽車)的電力驅動部分主要由硅(Si)基功率器件組成。隨著電動汽車的發展,對電力驅動的小型化和輕量化提出了更高的要求。然而,由于材料限制,傳統Si基功率器件在許多方面已逼近甚至達到了其材料的本征極限,因此,各汽車廠商都對新一代碳化硅(SiC)功率器件寄予了厚望。


   以碳化硅為代表的第三代半導體,與單晶硅和砷化鎵等傳統半導體材料相比,具有明顯的優勢,如高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高鍵合能、高化學穩定性、抗輻射性強等,決定了碳化硅在諸多領域有著不可替代的地位。主要如下:


  (1)SiC具有高熱導率(達到4.9W/cm?K),是Si的3.3倍。因此,SiC材料散熱效果好,理論上,SiC功率器件可在 175℃結溫下工作,因此散熱器的體積可以顯著減小,適合用來制作高溫器件。


  (2)SiC具有高的擊穿場強,其擊穿電場是Si的10倍,因而適用于高壓開關,最大功率處理能力強,使得SiC材料適于制作大功率、大電流器件。


  (3)SiC具有高的飽和電子漂移速率,其數值是Si的2倍,在高場下幾乎不發生衰減,其高場處理能力強,因此,SiC材料適用于高頻器件。


  SiC單晶在制備技術上也是第三代半導體材料中最成熟的。因此SiC是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。


   眾所周知,高功率密度、高壓、大電流IGBT功率模塊是逆變器里最核心的部件,它的功率密度越高,電力驅動系統的設計則越緊湊,在相同體積下就能發揮更大功率。由于SiC器件電流密度高(如 Infineon 產品可達 700 A/cm2),在相同功率等級下,全 SiC功率模塊的封裝尺寸顯著小于Si IGBT功率模塊,大大減小了功率模塊的體積。


   另一方面,由于所有的功率轉換都由IGBT執行,所以器件本身沒有更多的空間來散熱,也不能通過增加風扇等其他方式散熱,這就要求IGBT本身有很好的散熱功能。理論上,SiC 功率器件可在 175℃結溫下工作,因此散熱器的體積可以顯著減小。


   此外,與傳統硅IGBT相比,SiC器件的導通電阻較小導通損耗下降;特別是SiC SBDs,具有較小的反向恢復電流,開關損耗大幅降低,大幅提高系統效率。


   綜上所述,碳化硅器件在電動汽車中的應用潛力巨大。SiC器件可以顯著減小電力系統的體積、重量和成本。提高功率密度和系統效率。使其成為EV和HEV電力驅動裝置中的理想器件,也將為電動汽車的動力驅動系統帶來革命性的改變。


   在國家政策支持下,國內新能源汽車銷量快速增長。根據工信部數據顯示, 2015 年累計生產新能源汽車37.90萬輛,同比增長4倍,銷售33.11萬輛,同比增長3.4倍,在全球新能源汽車超過50萬輛的年銷量中,中國市場的貢獻超過一半。政策規劃2020年累計銷量達500萬輛,復合增速50%以上。《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020 年)》指出2020年新能源汽車累計銷量達到500萬輛;同時,2015年國務院下發《中國制造2025》中明確提出到2020年我國自主品牌新能源汽車年銷量突破100萬輛,在國內市場占70%以上,新能源汽車銷量達到145 輛以上。


   依據產業調研情況,在新能源汽車領域,每個充電樁需要SiC功率器件6只,功率器件單價在40-80元,總價值量為200-500元;新能源汽車大約需要SiC功率器件13只,單價在40-80,總價值量在 500-1000元。


   到2020年,中國新能源汽車年保有量按照500萬量計算,分散式充電樁保有量480萬個。到2020年僅新能源汽車貢獻的SiC 潛在市場空間就超過百億元。


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