碳化硅器件在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景簡析

發(fā)布日期：2019-07-01   瀏覽量：3900

工業(yè)的蓬勃發(fā)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(xué)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(jié)能減排已成為汽車業(yè)發(fā)展的重大課題。因此，大力發(fā)展新能源汽車是實現(xiàn)節(jié)能減排，促進我國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性措施。

       目前，EV(純電動汽車)和HEV(混合動力汽車)的電力驅(qū)動部分主要由硅(Si)基功率器件組成。隨著電動汽車的發(fā)展，對電力驅(qū)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(tǒng)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(dǎo)體，與單晶硅和砷化鎵等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料相比，具有明顯的優(yōu)勢，如高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高鍵合能、高化學(xué)穩(wěn)定性、抗輻射性強等，決定了碳化硅在諸多領(lǐng)域有著不可替代的地位。主要如下：

       (1)SiC具有高熱導(dǎo)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(jié)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(guān)，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(shù)值是Si的2倍，在高場下幾乎不發(fā)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(shù)上也是第三代半導(dǎo)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(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計則越緊湊，在相同體積下就能發(fā)揮更大功率。由于SiC器件電流密度高(如 Infineon 產(chǎn)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(zhuǎn)換都由IGBT執(zhí)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(fēng)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(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。

此外，與傳統(tǒng)硅IGBT相比，SiC器件的導(dǎo)通電阻較小導(dǎo)通損耗下降;特別是SiC SBDs，具有較小的反向恢復(fù)電流，開關(guān)損耗大幅降低，大幅提高系統(tǒng)效率。

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

       在國家政策支持下，國內(nèi)新能源汽車銷量快速增長。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示， 2015 年累計生產(chǎn)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(guī)劃2020年累計銷量達500萬輛，復(fù)合增速50%以上。《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020 年)》指出2020年新能源汽車?yán)塾嬩N量達到500萬輛;同時，2015年國務(wù)院下發(fā)《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(nèi)市場占70%以上，新能源汽車銷量達到145 輛以上。

       依據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研情況，在新能源汽車領(lǐng)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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