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                          碳化硅微粉在新能源汽車中的應用
                          - 2020-02-15-

                            一、 前言

                            隨著全球經濟和技術的蓬勃發展,能源消耗逐年增加。目前,全球的二氧化碳排放中,25%來源于汽車。有報告指出,至2030年,二氧化碳排放量將曾至423億噸[1]。在我國,汽車排放帶來的污染已經成為城市大氣污染的主要因素,我國的二氧化碳排放目前已居全球第二,節能減排已成為汽車業發展的重大課題。因此,發展新能源汽車是實現節能減排及我國汽車產業跨越式、可持續發展的必然戰略措施。

                            新能源汽車按動力源的不同,主要有三種:混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)、純電動汽車(Electric Vehicle,EV)和燃料電池電動汽車(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)。目前各種新能源汽車中,純電動汽車和混合動力汽車是目前新能源汽車研究和發展的熱點。

                            電力驅動系統是新能源汽車動力性能、可靠性和成本的關鍵因素。目前,純電動汽車和混合動力汽車的電力驅動部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動汽車的發展,對電力驅動的小型化和輕量化提出了更高的要求。然而,由于材料限制,傳統硅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,如電壓阻斷能力、正向導通壓降、器件開關速度等,尤其在高頻和高功率領域更顯示出其局限性[2]。因此,各汽車廠商都對新一代碳化硅功率器件寄予了厚望,希望通過應用碳化硅功率器件大幅實現電動汽車逆變器和DC-DC轉換器等驅動系統的小型輕量化。

                            二、 碳化硅微粉功率器件為何成為新能源汽車的最愛

                            1. 高功率密度,降低功率模塊體積

                            由于碳化硅器件與硅器件相比,有更高的電流密度。在相同功率等級下,碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基IGBT模塊。豐田的技術人員在一場演講會上公開表達了對SiC的期待,他所強調的碳化硅功率器件的優點之一就是能實現功率模塊的小型化。以IPM(Intelligent Power Module)為例,估計利用碳化硅功率模塊,體積可縮小至硅功率模塊的2/3-1/3。(如圖一所示)

                            2. 低功率損耗,提高系統效率或工作頻率

                            提高能源利用效率對許多廠商來說是令人頭疼的難題。而碳化硅器件具有大幅提高設備的能源利用效率的特質。碳化硅功率模塊與采用硅基IGBT的功率模塊相比,可將開關損失降低85%(如圖二所示)。

                            另外,可實現100kHz以上的高速開關,開關頻率可高達硅基IGBT模塊的10倍以上。提高開關頻率將顯著的減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。

                            3. 良好的高溫穩定性,顯著減小散熱器體積和成本

                            由于碳化硅器件的能量損耗只有硅器件的一半,發熱量也只有硅器件的一半;另外,碳化硅器件還有非常優異高溫穩定性,因此,散熱處理也更加容易進行,不但散熱器可以顯著減小,還可以實現逆變器與馬達的一體化。

                            圖3 為采用SiC SBDs的小功率EV 車載逆變器散熱片體積和采用傳統Si基半導體器件散熱片體積的對比,可看出,采用SiC SBDs 器件散熱片的體積大大減小[3]。

                            目前電動汽車一般包含兩套水冷系統,一套是馬達冷卻系統,另一套是逆變器等電子設備的冷卻系統。通過采用碳化硅器件實現逆變器、馬達一體化不但可以縮短逆變器與馬達之間的布線距離,還能整合以往逆變器和馬達需要分別配置的水冷卻系統,重量和體積大為降低。

                            基于上述原因,SiC器件也被美寓為“重環保時代的關鍵元件”。SiC功率半導體已成為節能、高效、環保的代名詞。為此,汽車業界對SiC的期待十分迫切,豐田汽車表示“SiC具有與汽油發動機同等的重要性”。

                            三、 企業開發實例

                            為滿足汽車廠商的需求,多家企業已進行了相應的開發。

                            1. 電裝在汽車技術展會上展出了輸出功率密度高達60kW/L的逆變器。這是電裝與豐田共同研發的成果。

                            電裝試制的逆變器在功率器件方面選用了碳化硅器件,同時采用自主開發的新型器件結構降低了電阻,從而抑制了電力損失。另外,通過改進逆變器模塊的內部布線,減小了模塊整體電阻,發熱量較原產品降低了68%。

                            試制的逆變器體積為0.5L,輸出密度為60kW/L是在輸出功率為30kW時得到的數據。此時功率元件的溫度約為180℃。構成逆變器的器件出了碳化硅功率模塊外,還包括驅動碳化硅功率器件的控制電路、散熱片、冷卻風扇及電容器等。

                            2. 羅姆和安川電極也共同試制了面向電動汽車的行駛系統。該系統由馬達及其驅動部分構成。特點是,通過在驅動部分采用羅姆的碳化硅功率元件,使驅動部分和馬達實現了一體化。線圈切換部分、逆變器及其配備的柵極驅動IC和MCU等的控制器部分與馬達部分組合在了一起。通過實現一體化。另外,通過采用碳化硅功率器件,逆變器的損失較硅功率器件的產品減少了一半。

                            四、 國內量產碳化硅功率器件的廠家

                            國內碳化硅功率器件的研發工作始于20世紀末,經過十幾年的摸索,已經積累了一定的材料與器件制作經驗。但與國外最高水平相比還有很大差距。

                            在產業化方面,國內主要僅有少數幾家公司從事碳化硅材料的相關工作。而從事碳化硅功率器件研發與生產的企業只有北京泰科天潤半導體科技(北京)有限公司一家。其技術團隊具有多年的碳化硅功率器件研發生產經驗,經過兩年攻關,泰科天潤研發的碳化硅肖特基二極管產品已成功量產,產品涵蓋600V—3300V等中高壓范圍,其產品成品率達到國際先進水平。碳化硅功率器件的量產,打破了歐、美、日長期以來的技術壟斷,邁開了我國碳化硅功率器件產業化發展的第一步。

                            五. 結語

                            碳化硅功率器件以其優異的高耐壓、低損耗、高導熱率等優異性能,可以有效的實現電力電子系統的高效率、小型化和輕量化,被普遍認為是替代硅基功率器件最理想的新型半導體器件。隨著碳化硅材料及其功率器件制備技術的不斷成熟,成本和可靠性的不斷優化,我們相信碳化硅功率器件將在新能源等領域有著廣泛的應用前景。

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