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碳化硅器件在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

文章出處：原創(chuàng)網(wǎng)責(zé)任編輯：黃丹丹作者：黃丹丹人氣：-發(fā)表時(shí)間：2017-03-13 15:54:00【大中小】

工業(yè)的蓬勃發(fā)展，全球能源消耗逐年增加。在我國(guó)，機(jī)動(dòng)車(chē)污染已成為空氣污染的重要來(lái)源，是造成灰霾、光化學(xué)煙霧污染的重要原因，機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治的緊迫性日益凸顯。節(jié)能減排已成為汽車(chē)業(yè)發(fā)展的重大課題。因此，大力發(fā)展新能源汽車(chē)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，促進(jìn)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性措施。

目前，EV（純電動(dòng)汽車(chē)）和HEV（混合動(dòng)力汽車(chē)）的電力驅(qū)動(dòng)部分主要由硅(Si)基功率器件組成。隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，對(duì)電力驅(qū)動(dòng)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(dá)到了其材料的本征極限，因此，各汽車(chē)廠商都對(duì)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(shì)，如高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、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(qiáng)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(dá)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(lái)制作高溫器件。

（2）SiC具有高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，其擊穿電場(chǎng)是Si的10倍，因而適用于高壓開(kāi)關(guān)，最大功率處理能力強(qiáng)，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(chǎng)下幾乎不發(fā)生衰減，其高場(chǎng)處理能力強(qiáng)，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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dá) 700 A/cm2)，在相同功率等級(jí)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(méi)有更多的空間來(lái)散熱，也不能通過(guò)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(kāi)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)裝置中的理想器件，也將為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)革命性的改變。

　　在國(guó)家政策支持下，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示， 2015 年累計(jì)生產(chǎn)新能源汽車(chē)37.90萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)4倍，銷(xiāo)售33.11萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)3.4倍，在全球新能源汽車(chē)超過(guò)50萬(wàn)輛的年銷(xiāo)量中，中國(guó)市場(chǎng)的貢獻(xiàn)超過(guò)一半。政策規(guī)劃2020年累計(jì)銷(xiāo)量達(dá)500萬(wàn)輛，復(fù)合增速50%以上?！豆?jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020 年）》指出2020年新能源汽車(chē)?yán)塾?jì)銷(xiāo)量達(dá)到500萬(wàn)輛；同時(shí)，2015年國(guó)務(wù)院下發(fā)《中國(guó)制造2025》中明確提出到2020年我國(guó)自主品牌新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量突破100萬(wàn)輛，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占70%以上，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到145 輛以上。

　　依據(jù)產(chǎn)業(yè)調(diào)研情況，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，每個(gè)充電樁需要SiC功率器件6只，功率器件單價(jià)在40-80元，總價(jià)值量為200-500元；新能源汽車(chē)大約需要SiC功率器件13只，單價(jià)在40-80，總價(jià)值量在 500-1000元。

　　到2020年，中國(guó)新能源汽車(chē)年保有量按照500萬(wàn)量計(jì)算，分散式充電樁保有量480萬(wàn)個(gè)。到2020年僅新能源汽車(chē)貢獻(xiàn)的SiC 潛在市場(chǎng)空間就超過(guò)百億元。

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