碳化硅(SiC)应用改变汽车行业

2023/05/29 分类:未分类 1334 0

全球向电动汽车的过渡导致了汽车行业的转型，这是由于汽车原始设备制造商（OEM）对创造越来越高效和高性能的电动汽车的需求。宽带隙半导体等电子技术在实现这些目标方面发挥着至关重要的作用。

电动和混合动力汽车越来越追捧既有效又经济实惠的功率转换技术。由于碳化硅（SiC）提供的优势，宽带隙（WBG）半导体在性能方面优于传统硅，并将很快取代并超越传统的硅基功率器件，尤其是用于电动汽车（EV）设计的功率器件。

电动汽车设计挑战

电动汽车的成功与高效率的实现密切相关。在电动汽车中，效率在满载条件下（通常，当负载>90%时）达到其最大潜力。在城市驾驶中，负载可以降低到10%，再生制动等系统在将车辆效率提高多达30%方面起着至关重要的作用。

为此，应将安装在EV中的所有电子元件和系统的功耗降至最低，同时尊重汽车行业施加的空间和重量限制。

汽车零部件必须满足的其他具有挑战性的要求包括高可靠性（百万分之缺陷部件数量已达到个位数）和出色的热管理。碳化硅是一种能够满足这些要求的半导体材料，取代并优于传统的硅基功率器件，如MOSFET和IGBT。

碳化硅在电动汽车中的应用

SiC 的临界电场强度为 2.8 MV/cm，远高于硅的临界电场强度（0.3 MV/cm），允许设计人员在半导体衬底上应用更薄的外延层，从而降低组件的表面电阻和功率损耗。此外，该特性允许SiC达到非常高的击穿电压，甚至只有几kV量级。

因此，这些器件可以在远高于传统硅达到的频率下进行有效切换。由于开关频率较高，无源元件和磁性器件（如电感器）的尺寸也降低了。因此，系统的整体尺寸显著减小，从而提高了功率密度。SiC 的宽带隙和强大的导热性进一步降低了系统重量和体积，可实现高温操作和简单的冷却控制。

新的高性能和长距离电动汽车将基于SiC，因为传统的硅基功率器件（如IGBT）无法进一步降低其功耗，重量和尺寸，这些都是提高效率的先决条件。此外，高压电池即将从 400 V 过渡到 800 V，对所使用的功率器件提出了更严格的电压要求。

主要用途：主逆变器

SiC在电动汽车中的主要应用之一是主逆变器，它是将来自电池的高直流电压转换为为牵引电动机供电所需的交流电压的电路。

与具有相同拓扑结构的基于IGBT的逆变器相比，SiC的效率提高了6-10%。对于主逆变器，SiC的低传导损耗是一个关键优势，特别是在部分负载条件下。这种效率的提高转化为更长的续航里程或更小的电池尺寸，从而节省了空间和成本。

“基于我们在碳化硅方面的成功案例，我不得不说，SiC MOSFET在很长一段时间内仍然是构建牵引逆变器的主要选择，因为1200 V器件的可用性很大，它们经过验证和完善的坚固性，以及更简单的栅极驱动设计，”Di Giovanni说。

DC-DC 转换器和车载充电器

在电池供电的电动汽车（BEV）和插电式电动汽车（PHEV）中，电动机由牵引逆变器供电，该逆变器从大型高压电池组接收能量。逆变器可以直接连接到高压电池，也可以通过DC-DC转换器连接，具体取决于电池的标称电压，分别为400 V或800 V，如图1所示。

在车内，也有在 12 VDC 或 48 VDC 下运行的不同系统。这些电压通过DC-DC转换器由高压电池组提供。

充电需要直流电源。然而，交流电源在家庭和商业空间更容易获得，因此需要将交流电转换为直流电的车载充电器。快速直流充电除外，仅在某些充电站可用。

DC-DC 转换器和 OBC 都需要具有高效率、高开关频率和出色热管理的功率器件。为了满足这些具有挑战性的要求，SiC已成为首选，提供高效率，低开关损耗，高开关频率，低散热和更小磁性元件的组合。

碳化硅制造

一旦成功应用于电动汽车领域，SiC器件将进一步增加制造。这最终将在大规模制造后降低价格，类似于硅基设备。成本的降低是一个重要的里程碑，因为SiC器件比硅基器件更昂贵，SiC材料的成本几乎是硅的2×至3×。

“在创建了垂直整合的完整供应链之后，我们现在正在意大利卡塔尼亚的主要生产基地附近建立一个新的集成晶圆厂，”Di Giovanni说。“这将是欧洲首个此类产品，我们的目标是到2024年使用该新工厂生产的内部基板采购至少40%的SiC晶圆需求。

新的SiC制造工艺，晶圆从200到300毫米，将有可能实现更好的产量并降低生产成本，使其与传统硅相当。

“我们已经证明了我们在瑞典制造200毫米SiC晶圆原型的能力，”Di Giovanni说。“同样重要的是要强调，我们的设备和机械已经可以处理200毫米，因此我们预计过渡将相当顺利。