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新能源汽车的助力剂—碳化硅器件
2021年10月09日    阅读量:696    新闻来源:行业资讯在线 houshionline.com  |  投稿

在新能源汽车中,电力驱动系统是影响新能源汽车动力性能、可靠性和成本的关键因素。目前的电力驱动部分主要由硅(Si)基功率器件组成,但电动汽车的发展,对电力驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。由于材料限制,传统Si基功率器件在许多方面已经逼近甚至达到了其材料的本征极限,如电压阻断能力、正向导通压降等,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性中国机械网okmao.com。而SIC功率半导体器件凭借其优异性能被各大汽车产商所青睐,希望通过应用SiC功率器件大幅实现电动汽车逆变器和DC-DC转换器驱动系统的小型轻量化。


一、SiC功率半导体器件

SiC功率半导体器件主要包括二极管和晶体管,其中二极管主要有结势垒肖特基(JBS)功率二极管、pin功率二极管和混合pin肖特基二极管(MPS);晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等。

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图2、全球SiC功率器件市场的预测分析

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图3、SiC功率半导体器件


二、SIC功率半导体器件的优势


01 高功率密度,降低功率模块体积

SiC器件与Si器件相比,有更高的电流密度。在相同功率等级下,SiC功率模块的体积显著小于Si基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块。以智能功率模块为例,利用SiC功率器件,其模块体积可缩小至Si基功率模块体积的1/3~2/3。

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图4、碳化硅IPM与硅IGBT功率模块的体积比较


02 低功率损耗,提高系统效率或工作频率

提高能源利用效率对许多厂商来说是令人头疼的难题。而SiC器件具有大幅提高设备的能源利用效率的特质。SiC功率模块与采用硅基IGBT的功率模块相比,可将开关损失降低85%。另外,可实现100kHz以上的高速开关,其开关频率比Si基IGBT模块高10倍以上,提高开关频率将显著减小电感器和电容器等周边部件的体积和成本。

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图5、碳化硅功率模块和硅IGBT功率模块电力损耗比较


03 良好的高温稳定性,显著减小散热器体积降低成本

由于SiC器件的能量损耗只有Si器件的50%,所以发热量也只有Si基器件的50%;另外,SiC器件还有非常优异的高温稳定性。因此,散热处理也更加容易进行,不但可以显著减小散热器的体积,还可以实现逆变器与马达的一体化。采用SiCSBDs器件散热片的体积大大减小。


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图6、采用碳化硅器件和硅器件需要的散热器对比


目前,电动汽车一般包含2套水冷系统,一套是马达冷却系统,另一套是逆变器等电子设备的冷却系统。通过采用SiC器件实现逆变器和马达的一体化不但可以缩短逆变器与马达之间的布线距离,还能整合以往逆变器和马达需要分别配置的水冷却系统,质量和体积大为降低。基于上述原因,SiC器件也被美誉为“重环保时代的关键元件”。SiC功率半导体已成为节能、高效、环保的代名词。为此,汽车业界对SiC的期待十分迫切。


三、SIC功率半导体器件的应用

新能源汽车的发展是SiC市场的最大驱动力。在新能源汽车领域,采用SiC功率器件因其对电能较高的转化效率可以提升电池的能量利用率;同时,因其功率密度大、高频率可减少电力转化模块的体积和质量,也因其对高温的耐受能力更强使其节省了散热组件,实现了整车轻量化。


(1)2015年,特斯拉Model3开始采用分立SiCMOSFET的电机控制器。2018年,采用了意法半导体生产的SiC逆变器,是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。


7、电动化车辆的SiC(SiCMOSFET)控制器


(2)2020年7月新上市的比亚迪-汉EV也搭载了高性SiC-MOSFET控制模块,功率密度超过30kW/L。


(3)2020年11月精进电动宣布其300~600kW 系列SiCMOSFET 控制器,功率密度大于40kW/L,在不同工况下比硅基控制器节能3%~6%。获得了德国大众商用车公司TRATON集团客车和重卡等电动化商用车驱动电机控制器的量产合同。


(4)日本电装公司与丰田汽车共同推出输出功率密度高达60kW/L的逆变器。


8、电装碳化硅逆变器


(5)三菱电机开发内置逆变器的新型EV用马达,构成逆变器的晶体管和二极管全部使用SiC。



9、使用Si器件的传统逆变器与使用SiC器件的新型逆变器对比


除了上述新能源汽车之外,在家电、军工、航空航天、工业控制、智能电网等诸多领域SiC功率器件因其自身高性能的优势也有初步使用或研发跟进。


总结

在5G和新能源汽车等新兴市场需求的驱动下,SiC材料有望迎来加速发展。但我国在SiC功率器件领域跟国外还有一定的差距等问题,特别是在以下3个方面差距巨大:(1)在SiCMOSFET器件方面的研发进展缓慢,只有少数单位具备独立的研发能力,存在一定程度上依赖国际代工企业制造芯片的弊病,容易受制于人,产业化水平不容乐观。(2)SiC芯片主要的工艺设备基本上被国外公司所垄断,特别是高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等,国内大规模建立SiC工艺线所采用的关键设备基本需要进口。(3)SiC器件高端检测设备被国外所垄断。


参考来源:

1、碳化硅功率器件与新能源汽车 吴海雷等

2、第三代宽禁带功率半导体及应用发展现状 蔡蔚等

3、碳化硅在能源领域的应用及展望 赵敏等

4、Reviewof Silicon Carbide Power Devices and Their Applications


标签:今日头条机械应用技术中心汽车及配件新能源汽车 配件与设备
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