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碳化硅二极管在电动汽车领域的应用前景分析

发布时间:2017-6-24 10:55:33 作者: 浏览:7

碳化硅二极管在电动汽车领域的应用前景分析
  工业的蓬勃发展,全球能源消耗逐年增加。在我国,机动车污染已成为空气污染的重要来源,是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因,机动车污染防治的紧迫性日益凸显。节能减排已成为汽车业发展的重大课题。因此,大力发展新能源汽车是实现节能减排,促进我国汽车产业可持续发展的战略性措施。
   目前,EV(纯电动汽车)和HEV(混合动力汽车)的电力驱动部分主要由硅(Si)基功率器件组成。随着电动汽车的发展,对电力驱动的小型化和轻量化提出了更高的要求。然而,由于材料限制,传统Si基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限,因此,各汽车厂商都对新一代碳化硅(SiC)功率器件寄予了厚望。
    以碳化硅为代表的第三代半导体,与单晶硅和砷化镓等传统半导体材料相比,具有明显的优势,如高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高键合能、高化学稳定性、抗辐射性强等,决定了碳化硅在诸多领域有着不可替代的地位。主要如下:
    (1)SiC具有高热导率(达到4.9W/cm?K),是Si的3.3倍。因此,SiC材料散热效果好,理论上,SiC功率器件可在 175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小,适合用来制作高温器件。
    (2)SiC具有高的击穿场强,其击穿电场是Si的10倍,因而适用于高压开关,最大功率处理能力强,使得SiC材料适于制作大功率、大电流器件。
    (3)SiC具有高的饱和电子漂移速率,其数值是Si的2倍,在高场下几乎不发生衰减,其高场处理能力强,因此,SiC材料适用于高频器件。
SiC单晶在制备技术上也是第三代半导体材料中最成熟的。因此SiC是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。
    众所周知,高功率密度、高压、大电流IGBT功率模块是逆变器里最核心的部件,它的功率密度越高,电力驱动系统的设计则越紧凑,在相同体积下就能发挥更大功率。由于SiC器件电流密度高(如 Infineon 产品可达 700 A/cm2),在相同功率等级下,全 SiC功率模块的封装尺寸显著小于Si IGBT功率模块,大大减小了功率模块的体积。
    另一方面,由于所有的功率转换都由IGBT执行,所以器件本身没有更多的空间来散热,也不能通过增加风扇等其他方式散热,这就要求IGBT本身有很好的散热功能。理论上,SiC 功率器件可在 175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小。
此外,与传统硅IGBT相比,SiC器件的导通电阻较小导通损耗下降;特别是SiC SBDs,具有较小的反向恢复电流,开关损耗大幅降低,大幅提高系统效率。
    综上所述,碳化硅器件在电动汽车中的应用潜力巨大。SiC器件可以显著减小电力系统的体积、重量和成本。提高功率密度和系统效率。使其成为EV和HEV电力驱动装置中的理想器件,也将为电动汽车的动力驱动系统带来革命性的改变。
    在国家政策支持下,国内新能源汽车销量快速增长。根据工信部数据显示, 2015 年累计生产新能源汽车37.90万辆,同比增长4倍,销售33.11万辆,同比增长3.4倍,在全球新能源汽车超过50万辆的年销量中,中国市场的贡献超过一半。政策规划2020年累计销量达500万辆,复合增速50%以上。《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020 年)》指出2020年新能源汽车累计销量达到500万辆;同时,2015年国务院下发《中国制造2025》中明确提出到2020年我国自主品牌新能源汽车年销量突破100万辆,在国内市场占70%以上,新能源汽车销量达到145 辆以上。
     依据产业调研情况,在新能源汽车领域,每个充电桩需要SiC功率器件6只,功率器件单价在40-80元,总价值量为200-500元;新能源汽车大约需要SiC功率器件13只,单价在40-80,总价值量在 500-1000元。
     到2020年,中国新能源汽车年保有量按照500万量计算,分散式充电桩保有量480万个。到2020年仅新能源汽车贡献的SiC 潜在市场空间就超过百亿元。
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