SiC成為實現(xiàn)更高汽車能效的關(guān)鍵技術(shù)

“身為汽車制造商，我們將致力在2035年前在領(lǐng)先市場實現(xiàn)100%零排放的新車和貨車銷售，輔以與實現(xiàn)這一目標(biāo)相一致的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略，同時幫助構(gòu)建客戶需求?！?/p>

COP26宣言是最近聯(lián)合國氣候變化大會英國2021年的成果。安森美（onsemi）最近承諾在2040年前實現(xiàn)凈零排放。這不僅僅是個空洞的口號--我們正在實施一項積極的戰(zhàn)略來實現(xiàn)這一目標(biāo)。啟用新的汽車功能電子化技術(shù)是實現(xiàn)和維持這一承諾的方法之一。

對于電動車（EV），主要的成本在于電池單元/電池組。在過去三年中，EV的鋰離子電池價格已下降了40%（在過去十年中幾乎下降了90%）。鋰離子電池的價格下跌將持續(xù)到2025年。

為了進(jìn)一步加快電氣化進(jìn)程，公用設(shè)施到電池以及電池到電機之間的電源轉(zhuǎn)換能效成為可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。新的半導(dǎo)體技術(shù)是發(fā)展的方向，而碳化硅（SiC）正在成為實現(xiàn)更高的汽車能效的關(guān)鍵技術(shù)。

SiC屬于所謂的寬禁帶（WBG）器件。帶隙是固體中的能量范圍，在固態(tài)物理學(xué)中沒有電子狀態(tài)可以存在，這是決定固體導(dǎo)電性的重要因素。帶隙大的物質(zhì)一般是絕緣體；帶隙小的物質(zhì)是半導(dǎo)體，而導(dǎo)體要么有非常小的帶隙，要么沒有帶隙，因為價帶和導(dǎo)帶是重疊的。這些器件的能帶比標(biāo)準(zhǔn)的硅大。

表 1. 帶隙能量表

當(dāng)今多數(shù)EV使用傳統(tǒng)的硅器件技術(shù)，如IGBT和硅MOSFET。EV技術(shù)方案設(shè)計人員已在車載充電器和高壓DC-DC應(yīng)用以及主驅(qū)應(yīng)用中有限地引入了WBG器件（許多方案很快就會投產(chǎn)）。WBG是電力電子的未來。這些新技術(shù)結(jié)合合適的封裝技術(shù)，賦能高能效、可靠和成本優(yōu)化的方案。

這些材料的特性在于其結(jié)構(gòu)。對更高的工作溫度、減少能量損失、更高的功率密度、更高的開關(guān)頻率和更高的阻斷電壓的要求是主要的驅(qū)動力。

SiC相較于Si的優(yōu)勢：

介電擊穿場強高 10 倍

能帶隙高3 倍

熱導(dǎo)率高 3 倍

圖 2. 多維材料特性比較

在逆變器層面或車輛層面，SiC MOSFET都能實現(xiàn)比IGBT更好的整體系統(tǒng)級成本、性能和質(zhì)量改進(jìn)。以下是SiC MOSFET相對于IGBT用于主驅(qū)逆變器應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計優(yōu)勢：

寬禁帶使單位面積的功率密度更高，特別是在更高的電壓下移動（如1200伏擊穿）。

沒有拐點電壓，導(dǎo)致在低負(fù)載時有更高的能效

單極性的行為，使額定溫度更高，開關(guān)損耗更低

EV的負(fù)載曲線轉(zhuǎn)化為對功率開關(guān)的獨特要求。從全球統(tǒng)一輕型車輛測試程序（WLPT）到新歐洲駕駛循環(huán)（NEDC）的所有駕駛曲線來看，很明顯，一輛標(biāo)準(zhǔn)的EV在其整個生命周期中約有5%的時間是全功率運行的。根據(jù)駕駛曲線，一輛EV在其余的時間里平均運行全部負(fù)載的30％至40％，對SiC MOSFET的需求比IGBT更強。SiC MOSFET沒有拐點電壓，能效明顯比IGBT高，在車輛層面上可節(jié)省電池組。

表 2：駕駛曲線示例

B2 SiC（NVVR26A120M1WST）功率模塊是用于混合動力車（HEV）和電動車（EV）主驅(qū)逆變器應(yīng)用的VE-TracTM系列功率模塊的一部分--該模塊平臺在一個半橋架構(gòu)中集成了安森美的所有SiC MOSFET技術(shù)。裸片連接采用燒結(jié)技術(shù)，提高了能效、功率密度和可靠性。該模塊符合AQG 324汽車功率模塊標(biāo)準(zhǔn)。B2 SiC模塊結(jié)合燒結(jié)技術(shù)用于裸片連接和銅夾，壓鑄模工藝用于實現(xiàn)強固的封裝。其SiC芯片組采用安森美的M1 SiC技術(shù)，從而提供高電流密度、強大的短路保護、高阻斷電壓和高工作溫度，在EV主驅(qū)應(yīng)用中帶來領(lǐng)先同類的性能。

審核編輯：郭婷