隨著對電動汽車(EV)需求的持續(xù)增長,制造商正在比較兩種半導體技術,即碳化硅和硅,用于電力電子應用。碳化硅(SiC)具有耐高溫、低功耗、剛性,并支持EV電力電子設備所需的更小、更薄的設計。SiC當前應用的示例包括車載DC/DC轉換器、非車載直流快速充電器、車載電池充電器、電動汽車動力總成和LED汽車照明。
據《汽車世界》報道,隨著電池和電機制造商達到現有技術的物理極限,需要開發(fā)更高效的傳動系統(tǒng),SiC技術還可以推動未來的電動汽車創(chuàng)新。在接受半導體工程采訪時,Cree首席技術官約翰·帕爾莫(John Palmour)以電動汽車行業(yè),尤其是工程師可以欣賞的方式將碳化硅與硅進行了比較?!澳憧梢杂锰蓟柚圃炷阏嬲胍墓杵骷捎诠璧奈锢硖匦?,在這個電壓范圍內是不實用的。
帶隙的重要性
碳化硅在電動汽車應用和其他電力電子設備中的實用性在很大程度上取決于其寬帶隙,寬帶隙以電子伏特(eV)為單位測量,并描述了將電子從材料的價帶激發(fā)到其導帶所需的能量。硅(Si)是一種半導體,長期以來一直是集成電路(IC)和光伏晶圓的首選材料,其帶隙為1.12 eV。砷化鎵(GaAs)是一種用于太陽能電池的半導體,其帶隙為1.42 eV。相比之下,碳化硅的帶隙明顯更寬,為3.26 eV。
憑借這種更寬的帶隙,碳化硅更適合更高功率的應用和與之相關的更高溫度。帶隙與擊穿電壓有關,擊穿電壓是絕緣體的一部分變得導電的點。硅的擊穿電壓約為600V,但基于SiC的器件可以承受高達<>倍的電壓。由于帶隙會隨著溫度的升高而縮小,因此更寬的帶隙材料也可以承受更高的溫度。碳化硅的剛性也提供了一個穩(wěn)定的結構,不會因熱而膨脹或收縮。
碳化硅的更寬帶隙還支持更快、更高效的開關和更小、更薄的器件。由于碳化硅的電壓差或電位差不需要分布在盡可能多的材料上,因此SiC器件的厚度可以小于Si器件厚度的十分之一。這些更快、更薄的解決方案具有更小的阻力,因此更少的能量損失在熱量中,從而提高效率。此外,碳化硅更高的導熱性允許更有效地傳輸熱量,并且可以減少或消除對散熱器的需求。
用于電動汽車電力電子的碳化硅器件:優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
據報道,Cree估計,去年全球碳化硅器件市場首次超過100億美元。如今,該公司的SiC解決方案正在為不斷增長的電動汽車市場中的各種高壓、高溫組件提供支持。由于電動汽車的不同系統(tǒng)由不同的電壓供電,因此一些硅器件還需要將正確的電壓轉換并分配給車窗升降機、照明、推進器和暖通空調。與硅器件相比,SiC技術以更高的速度、可靠性和效率支持這些功能。
碳化硅卓越的開關速度也支持開發(fā)更快的充電器。板外充電器將輸入的交流電轉換為直流電,用于電池存儲。車載電池充電器將來自電池的直流電轉換為交流電,供主驅動電機使用。碳化硅比硅更快地執(zhí)行這些功能,并且熱量和能量損失更少。此外,碳化硅組件的尺寸可以是硅器件的一半(或更?。?。隨著碳化硅制造商繼續(xù)減少材料缺陷,碳化硅器件的價格預計將下降,這對未來的電動汽車應用來說是一個優(yōu)勢。
無錫國晶微半導體技術有限公司是寬禁帶第三代半導體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè),從事碳化硅場效應管,碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機集成電路等產品芯片設計、生產與銷售并提供相關產品整體方案設計配套服務,總部位于江蘇省無錫市高新技術開發(fā)區(qū)內,并在杭州、深圳和香港設有研發(fā)中心和銷售服務支持中心及辦事處。
公司具有國內領先的研發(fā)實力,專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產品,同時提供一站式的應用解決方案和現場技術支持服務,使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠,并具有成本競爭力。
公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,產品已經投入批量生產,產品完全可以對標國際品牌同行的先進品質及水平。先后推出全電流電壓等級碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級、車規(guī)級可靠性測試的碳化硅MOSFET系列產品,性能達到國際先進水平,應用于太陽能逆變電源、新能源電動汽車及充電樁、智能電網、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領域。由于其具有高速開關和低導通電阻的特性,即使在高溫條件下也能體現優(yōu)異的電氣特性,大幅降低開關損耗,使元器件更小型化及輕量化,效能更高效,提高系統(tǒng)整體可靠性,可使電動汽車在續(xù)航里程提升10%,整車重量降低5%左右,并實現設計用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運行。
特別在高低壓光耦半導體技術方面更是擁有業(yè)內領先的研發(fā)團隊。在國內創(chuàng)先設計開發(fā)了28nm光敏光柵開關PVG芯片技術,并成功量產應用于60V、400V、600V高低壓、低內阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝,單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產品,另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機等集成電路產品,均獲得市場及各重點科研單位、檢測機構的新產品認定。
公司核心研發(fā)團隊中大部分工程師擁有碩士及以上學位,并有多名博士主持項目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識產權管理的規(guī)范體系,在電路設計、半導體器件及工藝設計、可靠性設計、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術,擁有多項國際、國內自主發(fā)明專利。
“國之重器,從晶出發(fā),自強自主,成就百年”是國晶微半導體的企業(yè)目標,我們?yōu)閱T工提供精彩的發(fā)展空間,為客戶提供精良的產品服務,我們真誠期待與您攜手共贏未來。
審核編輯:彭菁
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原文標題:碳化硅與電動汽車電力電子中的硅
文章出處:【微信號:國晶微第三代半導體碳化硅SiC,微信公眾號:國晶微第三代半導體碳化硅SiC】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。
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