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新能源汽車的助力劑—碳化硅器件

日期：2021-12-01 瀏覽次數(shù)：次

在新能源汽車中，電力驅(qū)動系統(tǒng)是影響新能源汽車動力性能、可靠性和成本的關(guān)鍵因素。目前的電力驅(qū)動部分主要由硅（Si）基功率器件組成，但電動汽車的發(fā)展，對電力驅(qū)動的小型化和輕量化提出了更高的要求。由于材料限制，傳統(tǒng)Si基功率器件在許多方面已經(jīng)逼近甚至達到了其材料的本征極限，如電壓阻斷能力、正向?qū)▔航档?，尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出其局限性。而SIC功率半導(dǎo)體器件憑借其優(yōu)異性能被各大汽車產(chǎn)商所青睞，希望通過應(yīng)用SiC功率器件大幅實現(xiàn)電動汽車逆變器和DC-DC轉(zhuǎn)換器驅(qū)動系統(tǒng)的小型輕量化。

新能源汽車的助力劑—碳化硅器件

圖1、特斯拉Model3

一、SIC功率半導(dǎo)體器件

SiC功率半導(dǎo)體器件主要包括二極管和晶體管，其中二極管主要有結(jié)勢壘肖特基（JBS）功率二極管、pin功率二極管和混合pin肖特基二極管（MPS）；晶體管主要有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體（MOSFET）、雙極型晶體管（BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。

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圖2、全球SiC功率器件市場的預(yù)測分析

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圖3、SiC功率半導(dǎo)體器件

二、SIC功率半導(dǎo)體器件的優(yōu)勢

1、高功率密度，降低功率模塊體積

SiC器件與Si器件相比，有更高的電流密度。在相同功率等級下，SiC功率模塊的體積顯著小于Si基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊。以智能功率模塊為例，利用SiC功率器件，其模塊體積可縮小至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功率模塊的體積比較

2、低功率損耗，提高系統(tǒng)效率或工作頻率

提高能源利用效率對許多廠商來說是令人頭疼的難題。而SiC器件具有大幅提高設(shè)備的能源利用效率的特質(zhì)。SiC功率模塊與采用硅基IGBT的功率模塊相比，可將開關(guān)損失降低85%。另外，可實現(xiàn)100kHz以上的高速開關(guān)，其開關(guān)頻率比Si基IGBT模塊高10倍以上，提高開關(guān)頻率將顯著減小電感器和電容器等周邊部件的體積和成本。

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圖5、碳化硅功率模塊和硅IGBT功率模塊電力損耗比較

3、良好的高溫穩(wěn)定性，顯著減小散熱器體積降低成本

由于SiC器件的能量損耗只有Si器件的50%，所以發(fā)熱量也只有Si基器件的50%；另外，SiC器件還有非常優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。因此，散熱處理也更加容易進行，不但可以顯著減小散熱器的體積，還可以實現(xiàn)逆變器與馬達的一體化。采用SiC SBDs器件散熱片的體積大大減小。

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圖6、采用碳化硅器件和硅器件需要的散熱器對比

目前，電動汽車一般包含2套水冷系統(tǒng)，一套是馬達冷卻系統(tǒng)，另一套是逆變器等電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。通過采用SiC器件實現(xiàn)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(tǒng)，質(zhì)量和體積大為降低?；谏鲜鲈?，SiC器件也被美譽為“重環(huán)保時代的關(guān)鍵元件”。SiC功率半導(dǎo)體已成為節(jié)能、高效、環(huán)保的代名詞。為此，汽車業(yè)界對SiC的期待十分迫切。

三、SIC功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用

新能源汽車的發(fā)展是SiC市場的最大驅(qū)動力。在新能源汽車領(lǐng)域，采用 SiC功率器件因其對電能較高的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化模塊的體積和質(zhì)量，也因其對高溫的耐受能力更強使其節(jié)省了散熱組件，實現(xiàn)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(dǎo)體生產(chǎn)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、電動化車輛的SiC（SiC MOSFET）控制器

（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(jié)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(qū)動電機控制器的量產(chǎn)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8、電裝碳化硅逆變器

（5）三菱電機開發(fā)內(nèi)置逆變器的新型EV用馬達，構(gòu)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(tǒng)逆變器與使用SiC器件的新型逆變器對比

除了上述新能源汽車之外，在家電、軍工、航空航天、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等諸多領(lǐng)域 SiC功率器件因其自身高性能的優(yōu)勢也有初步使用或研發(fā)跟進。

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圖10、SiC器件在各行業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢

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圖11、SiC功率器件在其他方面應(yīng)用

總結(jié)

在5G和新能源汽車等新興市場需求的驅(qū)動下，SiC材料有望迎來加速發(fā)展。但我國在SiC功率器件領(lǐng)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(fā)進展緩慢，只有少數(shù)單位具備獨立的研發(fā)能力，存在一定程度上依賴國際代工企業(yè)制造芯片的弊病，容易受制于人，產(chǎn)業(yè)化水平不容樂觀。（2）SiC 芯片主要的工藝設(shè)備基本上被國外公司所壟斷，特別是高溫離子注入設(shè)備、超高溫退火設(shè)備和高質(zhì)量氧化層生長設(shè)備等，國內(nèi)大規(guī)模建立SiC工藝線所采用的關(guān)鍵設(shè)備基本需要進口。（3）SiC器件高端檢測設(shè)備被國外所壟斷。

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