新能源汽车的助力剂—碳化硅器件

日期：2021-12-01 浏览次数：次

在(zai)新(xin)能源汽车中，电力(li)驱动系统是影响新能源汽(qi)车动力(li)性能、可靠性和成本的关键因素。目前的(de)电力驱动(dong)部分主要由硅(gui)（Si）基功率器件组成，但电(dian)动汽车(che)的(de)发展，对(dui)电力驱动(dong)的小型化和(he)轻量化提出(chu)了更高(gao)的要求。由于材(cai)料限(xian)制，传(chuan)统Si基功率器件在许多方面已经逼近甚至达到了(le)其材(cai)料(liao)的(de)本征极限(xian)，如电压阻断能(neng)力、正向(xiang)导通(tong)压降等，尤其在高频和高功(gong)率领(ling)域更显示出其局(ju)限(xian)性。而(er)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(gong)率器件大幅实现(xian)电动(dong)汽(qi)车逆变器和(he)DC-DC转换器驱动(dong)系统的(de)小型轻量化。

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图1、特(te)斯拉Model3

一(yi)、SIC功率半导体器件

SiC功(gong)率半导(dao)体(ti)(ti)(ti)器件主要包括二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)和晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)，其中二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)主要有结势垒(lei)肖特基(ji)（JBS）功(gong)率二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)、pin功(gong)率二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)和混(hun)合(he)pin肖特基(ji)二(er)(er)极(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)(guan)（MPS）；晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)主要有金属(shu)氧化物半导(dao)体(ti)(ti)(ti)场(chang)效应晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)（MOSFET）、双极(ji)(ji)型晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（BJT）、结型场(chang)效应晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（JFET）、绝缘栅双极(ji)(ji)型晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(ti)管(guan)(guan)(guan)(guan)（IGBT）和门极(ji)(ji)可(ke)关(guan)断晶(jing)(jing)闸管(guan)(guan)(guan)(guan)（GTO）等。

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图2、全球(qiu)SiC功(gong)率器(qi)件市场(chang)的预测(ce)分析

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图3、SiC功(gong)率半导体器(qi)件

二、SIC功率半导体器件的优势

1、高(gao)功(gong)率(lv)密度，降低功(gong)率(lv)模块体(ti)(ti)积

SiC器(qi)(qi)件(jian)(jian)与(yu)Si器(qi)(qi)件(jian)(jian)相(xiang)比，有更高的(de)电流(liu)密(mi)度。在相(xiang)同功率(lv)(lv)等级下，SiC功率(lv)(lv)模(mo)块(kuai)的(de)体积显著小于Si基(ji)绝(jue)缘栅双极型(xing)晶体管（IGBT）模(mo)块(kuai)。以智能功率(lv)(lv)模(mo)块(kuai)为(wei)例，利用(yong)SiC功率器件，其模块体(ti)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(hua)硅(gui)IPM与硅(gui)IGBT功率模块(kuai)的体积比较

2、低功率(lv)损(sun)耗，提(ti)高系统效(xiao)率(lv)或工作频率(lv)

提(ti)高能源利(li)用效率对许(xu)多厂(chang)商来(lai)说是(shi)令人头(tou)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(lv)模块(kuai)与采用硅基IGBT的(de)功率(lv)模块(kuai)相比，可将开关(guan)损(sun)失(shi)降低85%。另外，可(ke)实现(xian)100kHz以上的高速开关，其开关频(pin)率(lv)比Si基IGBT模块高10倍以上，提高开关(guan)频率将(jiang)显著减小电(dian)(dian)感(gan)器和(he)电(dian)(dian)容器等周边部件的体积和(he)成本。

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图5、碳化硅功率模块和硅IGBT功率模块电(dian)力损耗比(bi)较(jiao)

3、良好的高温稳定(ding)性，显著减小散热器体积降(jiang)低成本(ben)

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(de)(de)(de)50%；另外，SiC器(qi)件(jian)还(hai)有(you)非常优(you)异的(de)(de)(de)高温稳定性(xing)。因此(ci)，散热处理也更加容易进行，不(bu)但可以显(xian)著减(jian)小(xiao)散热器(qi)的(de)(de)(de)体(ti)(ti)(ti)积(ji)，还(hai)可以实现逆变器(qi)与马达(da)的(de)(de)(de)一体(ti)(ti)(ti)化。采用SiC SBDs器(qi)件(jian)散热片的(de)(de)(de)体(ti)(ti)(ti)积(ji)大大减(jian)小(xiao)。

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图6、采(cai)用碳化硅器件(jian)和(he)硅器件(jian)需要的散热(re)器对比

目(mu)前，电动汽车一般(ban)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(wei)(wei)“重(zhong)环保时(shi)代(dai)的关键元件”。SiC功率半(ban)导(dao)体(ti)已成为(wei)(wei)节能(neng)、高效、环保的代(dai)名词。为(wei)(wei)此，汽(qi)车(che)业界对SiC的期待十分(fen)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(xin)能源汽车领域，采(cai)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SiC MOSFET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。

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图7、电动(dong)化车(che)辆的SiC（SiC MOSFET）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 30 kW/L。

（3）2020年11月精进电动宣布其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。

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图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。

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图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(jia)电、军工、航(hang)空航(hang)天、工业控(kong)制、智能电网等诸(zhu)多领域(yu) 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。

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图10、SiC器件在各行业中的应用及优势

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图11、SiC功率器件在其他方面应用

总结

在(zai)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SiC MOSFET 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。

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