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碳化硅器件在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應用前景分析

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

  工業(yè)的蓬勃發(fā)展,全球能源消耗逐年增加。在我國,機動(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,機動(dòng)車(chē)污染防治的緊迫性日益凸顯。節能減排已成為汽車(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)現節能減排,促進(jìn)我國汽車(chē)產(chǎn)業(yè)可持續發(fā)展的戰略性措施。

  目前,EV(純電動(dòng)汽車(chē))和HEV(混合動(dòng)力汽車(chē))的電力驅動(dòng)部分主要由硅(Si)基功率器件組成。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展,對電力驅動(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Si基功率器件在許多方面已逼近甚至達到了其材料的本征極限,因此,各汽車(chē)廠(chǎng)商都對新一代碳化硅(SiC)功率器件寄予了厚望。
  以碳化硅為代表的第三代半導體,與單晶硅和砷化鎵等傳統半導體材料相比,具有明顯的優(yōu)勢,如高熱導率、高擊穿場(chǎng)強、高飽和電子漂移速率、高鍵合能、高化學(xué)穩定性、抗輻射性強等,決定了碳化硅在諸多領(lǐng)域有著(zhù)不可替代的地位。主要如下:
(1)SiC具有高熱導率(達到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℃結溫下工作,因此散熱器的體積可以顯著(zhù)減小,適合用來(lái)制作高溫器件。
(2)SiC具有高的擊穿場(chǎng)強,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,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,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,電力驅動(dòng)系統的設計則越緊湊,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 700 A/cm2),在相同功率等級下,全 SiC功率模塊的封裝尺寸顯著(zhù)小于Si IGBT功率模塊,大大減小了功率模塊的體積。
  另一方面,由于所有的功率轉換都由IGBT執行,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℃結溫下工作,因此散熱器的體積可以顯著(zhù)減小。
  此外,與傳統硅IGBT相比,SiC器件的導通電阻較小導通損耗下降;特別是SiC SBDs,具有較小的反向恢復電流,開(kāi)關(guān)損耗大幅降低,大幅提高系統效率。
  綜上所述,碳化硅器件在電動(dòng)汽車(chē)中的應用潛力巨大。SiC器件可以顯著(zhù)減小電力系統的體積、重量和成本。提高功率密度和系統效率。使其成為EV和HEV電力驅動(dòng)裝置中的理想器件,也將為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力驅動(dòng)系統帶來(lái)革命性的改變。
  在國家政策支持下,國內新能源汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(cháng)。根據工信部數據顯示, 2015 年累計生產(chǎn)新能源汽車(chē)37.90萬(wàn)輛,同比增長(cháng)4倍,銷(xiāo)售33.11萬(wàn)輛,同比增長(cháng)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,中國市場(chǎng)的貢獻超過(guò)一半。政策規劃2020年累計銷(xiāo)量達500萬(wàn)輛,復合增速50%以上。《節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃(2012-2020 年)》指出2020年新能源汽車(chē)累計銷(xiāo)量達到500萬(wàn)輛;同時(shí),2015年國務(wù)院下發(fā)《中國制造2025》中明確提出到2020年我國自主品牌新能源汽車(chē)年銷(xiāo)量突破100萬(wàn)輛,在國內市場(chǎng)占70%以上,新能源汽車(chē)銷(xiāo)量達到145 輛以上。
  依據產(chǎn)業(yè)調研情況,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,中國新能源汽車(chē)年保有量按照500萬(wàn)量計算,分散式充電樁保有量480萬(wàn)個(gè)。到2020年僅新能源汽車(chē)貢獻的SiC 潛在市場(chǎng)空間就超過(guò)百億元。
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