当前Si半导体已逼近物理极限,以SiC为代表的第三代半导体在新能源性能车的首选。SiC材料拥有禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势,因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行,适用于高电压、高频率场景,此外还能以较少的电能消耗,获得更高的运行能力。
2018年,特斯拉Model 3主驱逆变器里首次使用碳化硅MOSFET以替代传统硅基IGBT,就此拉开碳化硅器件“上车”的序幕。

新能源汽车的发展,看中国。随着新能源汽车市场发展的高歌猛进,整车厂都希望提高车辆的表现力,包括更快的充电时间、更持久的续航里程,以及优质的驾乘体验等等,以获得更多市场竞争力,而碳化硅的存在就尤为重要。当前,越来越多的车企使用碳化硅器件。

第三代半导体功率器件可应用于车载领域,功率器件主要用在DCDC、OBC、电机逆变器、电动空调逆变器、无线充电等需要AC/DC快速转换的部件中(DCDC中主要充当快速开关)。高效的SiC或GaN器件有助于提高电机驱动器的输出功率、减小体积和降低热损失,从而实现更高的续航里程和更快的充电速度。

汽车动力电子系统,如电池管理系统(BMS)、能量回收系统(ERS)等,都可以从第三代半导体功率器件的优点中受益。例如,在BMS中使用高效的GaN器件可以降低开关损耗,提高电池的充放电效率,延长电池寿命。随着新能源汽车市场的蓬勃发展,充电基础设施建设也成为关键。第三代半导体功率器件在充电桩的直流/直流(DC/DC)转换器、直流/交流(DC/AC)逆变器等关键部件中的应用,有助于提高充电效率、降低能耗,缩短充电时间,为新能源汽车的普及奠定基础。

SiC功率器件相较于Si器件具有明显优势,其一是能量损耗低:SiC具有极低的导通电阻,同规格SiC-MOS相较Si-IGBT总能量损失可降低约80%。其二是器件尺寸小:SiC损耗低且电流密度高,同规SiC-MOS仅为Si-MOS原尺寸的1/10。其三是开关频率高:SiC不存在电流拖尾现象,开关损耗低,能大幅提高实际用的开关频率。其四是工作温度高:SiC拥有更高的热导率,器件散热更加容易,能够降低对散热系统的需求,利于终端轻量化和小型化。

在800V电压平台中,高频的优势使得企业更倾向选择碳化硅MOSFET方案。因此目前800V电控大部分规划碳化硅MOSFET。
800V平台上碳化硅器件的车型很多,小米汽车、长城汽车、北汽极狐、理想汽车、小鹏汽车、蔚来汽车、长安汽车、比亚迪、岚图、广汽埃安、零跑、一汽红旗…..等等,碳化硅技术成为800V平台首选。

400V电压平台中,碳化硅MOSFET则主要处于高功率以及功率密度和高效率的考量。此外,从高效率角度来考虑部分企业也在探索辅驱用碳化硅MOSFET产品的可行性。除电控产品外,部分企业在OBC和DCDC产品中也逐步采用碳化硅MOSFET产品。综合来看,仅电控产品来看碳化硅MOSFET在800V平台的应用确定性要强于400V平台。

AEC-Q作为国际通用的车规级电子元器件测试规范,已成为车用元器件质量与可靠性的标志,更是打开车载供应链的敲门砖和试金石。试验项目包含如高温反偏、温度循环、高加速应力、高温高湿反偏等18项测试,每项都是针对车用分立器件可能遭遇的环境来设计,用于验证电子元器件能否满足各种严苛的应用条件、能否经受住长期的高能量冲击和高频率开关。
碳化硅器件在新能源汽车中的应用

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碳化硅器件产品

6英寸碳化硅平面MOS芯片
6英寸碳化硅平面MOS单管
6英寸碳化硅平面MOS功率模块
碳化硅产业链
6英寸碳化硅平面MOS产品线
新技术和新产品
总结
碳化硅器件具有体积小、功率大、频率高、能耗低、损耗小、耐高压等优点。当前主要应用领域:各类电源及服务器,光伏逆变器,风电逆变器,新能源汽车的车载充电机、电机驱动系统、直流充电桩,变频空调,轨道交通,军工等。
第三代半导体功率器件在汽车行业的应用还有许多发展空间。随着SiC和GaN材料制造工艺的不断优化和成本的降低,这些高性能的半导体器件将在更多的汽车电子领域得到广泛应用。此外,随着车载电子系统功能越来越多、集成度越来越高,对半导体器件的性能要求也将不断提高。
总之,第三代半导体功率器件以其高能效、高频率、高温度等优异性能,在汽车行业中的应用越来越广泛。从电动汽车驱动系统到智能驾驶系统,从汽车电子系统到新能源汽车充电基础设施,第三代半导体功率器件正助力汽车行业迈向更高的技术水平。

