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新能源汽车时代的半导体材料宠儿——SiC(碳化硅)BOB半岛综合

发布日期:2023-12-18 10:20 浏览次数:

  BOB半岛综合1824年,一种全新的材料被瑞典科学家,贝采里乌斯合成出来,这是一种名为碳化硅的黑色粉末,平平无奇的样子,仿佛是随处可见的灰烬,也许谁也没能想到,就是这一小撮杂质般的黑色颗粒,将会在近200年后,在其之上长出绚烂的花朵,帮助人类突破半导体的瓶颈。

  在人类半导体产业的起步初期,基于硅(Si)芯片的技术发展速度卓越,无论是成本还是性能都达到了完美的平衡,自然对于碳化硅(SiC)没有过多的注意。直到20世纪90年代,Si基电力电子装置出现了性能瓶颈,再次激发了相关机构对SiC材料的研究兴趣。

  1 更高的额定电压,无论是单极性还是双极型器件,SiC基器件的额定电压远高于Si基同类型器件;

  2 更低的导通电阻,在1kV电压等级下,SiC基单极性器件的导通电阻是Si基器件的1/60;

  3 更高开关频率,设定最大结温在175°C、10kV条件下,SiC基器件仍能达到33kHZ的最大开关频率;

  4 更低热阻,SiC基热导率是Si的3倍,期间内部更易散热,减小器件过温失效风险,提高可靠性;

  5 理论上,SiC基器件极限工作结温能达到600°C,远高于Si基器件,但是受限于封装材料;

  6 具备极强抗辐射性,过量辐射不会导致SiC器件出现性能衰退,在航空领域应用较广。

  近年来,新能源汽车的增长速度堪称恐怖,2021年,全球新能源汽车销售约675万辆,同比增长1.08倍,市场渗透率大幅提升到8%左右。而在我国,2021年新能源汽车销量约为352万辆,占全球销量的近一半,而到了2022年上半年,中国新能源汽车销量达260万辆,同比增长1.2倍,同时新能源汽车保有量突破1000万辆BOB半岛综合。而在可以遇见的未来,新能源汽车的增长也是势不可挡的。根据市场的预期:全球新能源汽车市场将在未来5年至10年继续保持较高15-35%规模的增速。预计到2025年中国市场规模将突破1500万辆,保持约35%的年均增长率。而对于SiC需求最大的领域,恰恰就是新能源汽车。

  新能源汽车相比于传统燃油汽车,其中所使用的功率半导体器件成倍增加,根据Strategy Analytics的数据,传统燃油车的车均半导体用量为338美元,而功率半导体仅占21%,为71美元。混合动力汽车新增的半导体中76%是功率半导体,车均增量达到283美元,功率半导体价值为传统汽车的4倍,纯电动汽车中的功率半导体价值量则比混合动力汽车中更多。

  上文提到,SiC拥有更高的热导性能和电子性能,因此,SiC的化学特性使其特别擅长处理高频BOB半岛综合、高功率和高温负载的使用场景。对于新能源汽车来说,电机驱动系统通常要求体积更小、重量更轻,且能忍受恶劣的工况,而SiC恰恰具备高性能尺寸比、耐高温和耐辐射,可帮助系统减少尺寸、降低重量提高系统可靠性,这是提高电动汽车效率的关键因素。不仅如此,对于车载逆变器,SiC也是目前的最优解,以著名新能源汽车厂商特斯拉为例,在2018年BOB半岛综合,特斯拉将Model 3车型的主驱动逆变器中已经使用了SiC MOSFET,将Si IGBT替换为SiC器件后,新能源汽车逆变器效率可以大幅提升,相同续航下对电池容量需求降低,以及实现系统冷却体积和重量的优化,有效降低SiC器件本身带来的成本增加。

  新能源汽车的爆发式增长,其配套的充电桩自然也会随之水涨船高,据麦肯锡统计及预测,2020年中美欧新能源汽车充电需求约为180亿千瓦时,预计到2030年,伴随新能源汽车渗透率的提升,新能源汽车充电需求将高达2710亿千瓦时。

  但是,就以目前的形势来看BOB半岛综合,充电桩的增长速度远没有新能源汽车来得快。从新能源汽车增量与公共充电桩增量角度看,车桩比在2020年为4.7:1,2021年-2022年连续两年车桩比均超过10:1。导致目前这种“车多桩少”的情况。笔者认为是充电桩越来越多地建在交通便利,但地段昂贵的商业城区,同时还要面对恶劣的工况。因此,充电桩的设计方向是追求高密度、高电压、高功率和高可靠。还是作为新能源汽车充电桩的核心零部件,SiC的有关特性又让它成了绕不开的材料。三安集团北京公司副总经理就陈东坡认为BOB半岛综合,SiC凭借耐高压、耐高温、更高频率的优势,性能非常优越,前景明朗。虽然现在对于SiC快速充电桩还处于起步阶段,但是在未来随着需求的大幅增加,SiC一定会被大量应用。

  不仅仅是新能源汽车领域,对于5G基站的通信电源,大数据中心或工业互联网的服务器电源,城际高铁和城际轨道交通的电力电子装置都能看到SiC这种材料的应用前景。随着SiC市场前景的逐步明确,已经有越来越多的厂商开始投入对于SiC材料的研发和制造中来。

  作为SiC生产的基石,衬底的尺寸直接影响了SiC生产的成本,目前全球SiC市场6英寸量产线正走向成熟,领先公司已进军8英寸市场,包括罗姆、II-VI、Wolfspeed已具备成熟6英寸SiC衬底产线英寸市场进行开拓,而我国国内,包括泰科天润、华润微、三安光电等厂商也在积极探索,虽然目前还是以4英寸产线英寸,但我国独有的巨大经济规模很可能会加速SiC研发,逐步追上甚至领跑SiC领域也绝不是痴人说梦。

  笔者相信,在未来会有越来越多的SiC功率器件出现,让我们身边的电子产品功耗更低,体积更小,同时,也会有越来越多的国产SiC材料,来服务我们未来的科技生活。

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