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2019-08-02

福德正神清洗合明科技分享:新能源汽车碳化硅功率器件介绍

发布者:合明科技Unibright ; 浏览次数:167

福德正神清洗合明科技分享:新能源汽车碳化硅功率器件介绍



前言:

随着电动汽车、智能电网、核电、太阳能、风能等能源领域以及航海、航空、航天、高速轨道交通等技术的不断发展,对功率器件的性能提出了更高的要求。目前,基于硅基材料制作的功率器件已经随其结构设计和制造工艺的改进日趋完善,但受到材料本身的特点,限制了其进一步的完善,SiC(碳化硅)半导体具备比硅基半导体更好的高频、大功率、高辐射性能,随着此项材料技术的普及,电力机车、混合动力汽车等使用大功率半导体部件的交通工具也开始应用。


一、什么是功率器件?

功率半导体器件,在大多数情况下,是被作为电子开关使用(switch)。开关,简单的说,就是用来控制电流的通过和截断,其中包括手动开关、机械开关(继电器),电子开关(半导体功率器件)。电子产品需要高频率的开关动作进行电压间转化,(例如手机充电器需要由220v电压转换为5v,就是由高频率开关转化的)然而手动开关每秒钟只能开关几次;机械开关每秒钟只能开关百余次;只有电子开关才能达到每秒钟开关十万次至百万次,从而才能完成直流、交流电压间的转换。

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二、电动车为什么需要功率器件?

新能源电动车动力产生和传输过程与汽油发动机有较大差异,需要频繁进行电压变换和直流-交流转换。电动车的动力来自于感应电动机,然而感应电动机的动力来自电池组。但感应电动机需要的是交流电,所以,需要功率器件——逆变器把电池组输出直流电,变成感应电动机所需要的交流电。逆变器同时控制其所输出的交流电的频率,从而控制电机的转速。另外,逆变器甚至能控制交流电的电压,从而控制电机的动力。因此,逆变器就像电动汽车的CEO,执行着对电动汽车的控制。

从燃油转到新能源纯电动车以后,对半导体功率器件的使用增加了很多。汽车半导体被用于汽车五大模块领域,包括车身、底盘、安全系统、驾驶信息和动力传动。随着汽车电动化和智能化的推进,未来半导体在安全系统模块中的用量将会显著增加。


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三、碳化硅功率器件主要应用场景

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纯电动汽车和混合动力汽车的电力驱动部分主要就硅基功率器件组成。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,传统硅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,如电压阻断能力、正向导通压降、器件开关速度等,尤其在高频和高功率领域更显示出其局限性。因此市场各大厂商都希望通过应用碳化硅功率器件大幅实现电动汽车逆变器和DC-DC转换器等驱动系统的小型轻量化。

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目前在特斯拉model3型电动汽车中使用的是以意法碳化硅MOSFET为核心的主逆变器,作为逆变器中最核心的功率器件,意法SCTW100N65G2AG型MOSFETc在整个新能源电动汽车领域都将扮演着重要的产业角色,表示以碳化硅为核心的第三代芯片技术将全面进入新能源汽车领域。

碳化硅作为未来电动汽车充电模块和电动模块中的关键先进电子材料,有望推动实现绿色出行的能源供应、低碳、智能、可持续发展,抢占未来高科技产业发展的制高点。


四、碳化硅器件应用三大优势


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1. 效率高,能量流失低

提高能源利用效率对许多厂商来说是令人头疼的难题。而碳化硅器件具有大幅提高设备的能源利用效率的特质。碳化硅功率模块与采用硅基IGBT的功率模块相比,可将开关损失降低85%。

2. 功率密度高,可以负载更高的频率,以及更小的体积

由于碳化硅器件与硅器件相比,有更高的电流密度。在相同功率等级下,碳化硅功率模块的体积显著小于硅基IGBT模块。丰田的技术人员在一场演讲会上公开表达了对SiC的期待,他所强调的碳化硅功率器件的优点之一就是能实现功率模块的小型化。以IPM(Intelligent Power Module)为例,估计利用碳化硅功率模块,体积可缩小至硅功率模块的2/3-1/3。

3. 耐高温,更可靠

由于碳化硅器件的能量损耗只有硅器件的一半,发热量也只有硅器件的一半;另外,碳化硅器件还有非常优异高温稳定性,因此,散热处理也更加容易进行,不但散热器可以显著减小,还可以实现逆变器与马达的一体化。

碳化硅器件能提高纯电动汽车或混合动力汽车功率转化性能。电动汽车的电动模块中电动机是有源负载,其转速范围很宽,且在行驶过程中需要频繁地加速和减速,工作条件比一般的调速系统复杂。

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福德正神硅功率器件可有效提高其驱动系统,获得更高的击穿电压、更低的开启电阻、更大的热导率;并且能保证在更高温度下可以稳定工作,原来几公斤的散热片可大幅减少甚至直接删去,这将引起电动汽车设计方面革命性的变化,使电动汽车或混合动力汽车功率转化能耗损失降低20%,对大幅提高电动汽车续航里程具有重要意义。

文章来源于微信公众号: 清谷逆创 清谷逆创 


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