碳化硅(SiC)功率器件或在电动汽车领域一决胜负

  作者:陈玲丽 时间:2020-02-28来源:电子产品世界

电力电子器件的发展历史大致可以分为三个大阶段:硅晶闸管(可控硅)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和刚显露头角的碳化硅(SiC)系列大功率半导体器件。

碳化硅属于第三代半导体材料,与普通的硅材料相比,碳化硅的优势非常突出,它不仅克服了普通硅材料的某些缺点,在功耗上也有非常好的表现,因而成为电力电子领域目前最具前景的半导体材料。正因为如此,已经有越来越多的半导体企业开始进入SiC市场。

到2023年,SiC功率半导体市场预计将达到15亿美元。SiC器件的供应商包括Fuji、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、Rohm、东芝和Wolfspeed(Wolfspeed是Cree的一部分),X-Fab是SiC的唯一代工厂商。

碳化硅功率器件的电气性能优势:

1. 耐压高:临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC),因此具有更高的耐压能力(10倍于Si)。

2. 散热容易:由于SiC材料的热导率较高(是Si的三倍),散热更容易,器件可工作在更高的环境温度下。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。

3. 导通损耗和开关损耗低:SiC材料具有两倍于Si的电子饱和速度,使得SiC 器件具有极低的导通电阻(1/100 于Si),导通损耗低;SiC 材料具有3倍于Si 的禁带宽度,泄漏电流比Si 器件减少了几个数量级,从而可以减少功率器件的功率损耗;关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,可大大提高实际应用的开关频率(10 倍于Si)。

4. 可以减小功率模块的体积:由于器件电流密度高(如Infineon 产品可达700A/cm²),在相同功率等级下,全SiC 功率模块(SiC MOSFETsSiC SBD)的封装尺寸显著小于Si IGBT 功率模块。

碳化硅功率器件发展中存在的问题:

1. 在商业化市场方面:由于Cree公司技术性垄断,一片高质量的4英寸SiC单晶片的售价约5000美元,然而相应的4英寸Si片售价仅为7美元。如此昂贵的SiC单晶片已经严重阻碍了SiC器件的发展。

2. 在技术方面:SiC单晶材料位错缺陷等其他缺陷对SiC器件特性造成的影响仍未解决;SiC器件可靠性问题;高温大功率SiC器件封装问题。

随着碳化硅电力电子器件技术的研究的不断深入,这些问题将逐渐得到解决,更多更好的商用碳化硅电力电子器件将推向市场,必将大大拓展碳化硅电力电子器件的应用领域。

同时,纵观电力电子的发展历程,新器件的诞生会带来整个电力电子行业的重大革命,在不久的将来,碳化硅功率器件将成为各种变换器应用领域中减小功率损耗、提高效率和功率密度的关键器件。

碳化硅功率器件最大的增长机会在汽车领域

SiC是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中,专门的SiC衬底被开发出来,然后在晶圆厂中进行加工,得到基于SiC的功率半导体。许多基于SiC的功率半导体和竞争技术都是专用晶体管,它们可以在高电压下开关器件的电流。它们用于电力电子领域,可以实现系统中电力的转换和控制。

与传统硅基器件相比,SiC的击穿场强是传统硅基器件的10倍,导热系数是传统硅基器件的3倍,非常适合于高压应用,如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。

目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景,特别是一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用,如电动汽车车载充电机与电驱系统、充电桩、光伏微型逆变器、高铁、智能电网、工业级电源等领域,可取代部分硅基MOSFET与IGBT。

另外,SiC还用于制造LED。碳化硅材料各项指标均优于硅,其禁带宽度几乎是硅的3倍,理论工作温度可达600℃,远高于硅器件工作温度。技术成熟度最高,应用潜力最大。最大的增长机会在汽车领域,尤其是电动汽车。电动汽车未来有三大趋势,一是行驶里程延长,二是缩短充电时间,三是需要更高的电池容量。

随着电动汽车以及其他系统的增长,碳化硅(SiC)功率半导体市场正在经历需求的突然激增,这便是SiC的用武之地。SiC正在进军车载充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器。

当前电动汽车的车载充电机市场已逐步采用碳化硅SDB,产品集中在1200V/10A、20A,每台车载充电机需要4-8颗碳化硅SBD,全球已有超20余家汽车厂商开始采用。在著名的电动方程式(Formula-E)赛车中也用到了SiC技术,罗姆从2016年的第三赛季开始赞助Venturi车队。在第三赛季使用了IGBT+SiC SBD后,与传统逆变器相比,重量降低2kg,尺寸减小19%,而2017年的第四赛季采用Si MOS+SiC SBD后,其重量降低6kg,尺寸减小43%。目前,特斯拉Model 3的电驱系统已采用了ST所提供的的碳化硅器件,丰田也将于2020年正式推出搭载碳化硅器件的电动汽车。

SiC器件在电动汽车控制部件应用中存在的问题

尽管碳化硅功率器件在电动汽车驱动系统的使用中具有显著的优势和广泛的应用前景,但仍有以下问题需要解决:

1. 电磁兼容性问题:电动汽车电力电子装置是电动汽车的最主要的电磁干扰源也是重要的传播途径,显然,高的开关频率会加剧电动汽车的电磁干扰。电动汽车内有大量噪声敏感的电子设备,不良的电磁兼容设计往往对其他车载电子设备的造成干扰甚至是误操作,给汽车留下较大的安全隐患。对SiC器件引起的电磁干扰的产生机理和抑制方法上进行深入研究,才能有效提高电动汽车的电磁兼容性能。

2. 高频磁性元件设计问题:碳化硅器件的使用可以提高变换器的开关频率、缩小磁性元件体积,但高频化下的磁性元件有许多基本问题要研究。

3. 先进封装技术:电动汽车环境温度较高,功率模块及其辅助电路需满足高可靠性、耐热性以及电气坚固性等需求。因此需要先进封装技术改善散热条件、降低寄生参数、提高功率模块的电气坚固性和可靠性。电力电子研究人员一直在努力寻找新型大电流高功率密度封装结构和互连方法,以替代目前的平面封装结构和引线键合工艺,彻底消除它们带来的各种问题。

关键词: 碳化硅、SiC、功率器件、电动汽车

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