下一代SiC半導(dǎo)體在汽車(chē)中的應(yīng)用

隨著越來(lái)越多的工程師選擇碳化硅半導(dǎo)體而不是以前的硅半導(dǎo)體，碳化硅半導(dǎo)體越來(lái)越受歡迎。

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體最近越來(lái)越受歡迎，因?yàn)樵絹?lái)越多的工程師選擇它們而不是以前的硅半導(dǎo)體。它們可以承受比硅半導(dǎo)體更高的電壓水平和溫度。

這些特性和其他特性使它們?cè)谄?chē)行業(yè)具有吸引力。這些半導(dǎo)體具有汽車(chē)制造商和車(chē)主都喜歡的優(yōu)勢(shì)，例如更快的電池充電和更高的能源效率。以下是該領(lǐng)域取得令人振奮進(jìn)展的三個(gè)例子：

1. 減少散熱，同時(shí)促進(jìn)更高的開(kāi)關(guān)頻率

這些半導(dǎo)體的一個(gè)引人注目的應(yīng)用是允許電力電子設(shè)備的更高開(kāi)關(guān)頻率，這些電力電子設(shè)備共同充當(dāng)電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)的“指揮中心”。從 2018 年 6 月開(kāi)始，博世制定了建設(shè)大型 SiC 半導(dǎo)體制造工廠的計(jì)劃。該品牌的工藝涉及通過(guò)將額外的碳原子引入超純硅的晶體結(jié)構(gòu)中來(lái)產(chǎn)生化學(xué)鍵。

將碳化硅盤(pán)變成芯片需要先進(jìn)的制造工藝，可持續(xù)長(zhǎng)達(dá) 14 周。博世沒(méi)有提供有關(guān)這些步驟的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，但它強(qiáng)調(diào)了完成這些步驟的優(yōu)勢(shì)。這種方法可以減少50%的熱量損失。這一結(jié)果為電動(dòng)機(jī)帶來(lái)了更高效的電力電子設(shè)備和能量，這意味著駕駛員可以獲得更長(zhǎng)的續(xù)航里程。

與硅半導(dǎo)體相比，SiC半導(dǎo)體還具有更好的導(dǎo)電性。這一優(yōu)勢(shì)允許與電力電子設(shè)備性能相關(guān)的更快開(kāi)關(guān)頻率。增加的開(kāi)關(guān)容量允許使用更小的支撐元件，如電感器和變壓器。

此外，SiC半導(dǎo)體提供的最小散熱使工程師能夠在昂貴的選項(xiàng)上花費(fèi)更少，以保持動(dòng)力總成冷卻。這一優(yōu)勢(shì)減少了車(chē)輛的尺寸和重量尺寸，并將精密的電子設(shè)備保持在推薦的溫度范圍內(nèi)，以獲得良好的性能和更長(zhǎng)的使用壽命。

2. 降低功率元件的消耗，以及更多的小型化

SiC半導(dǎo)體還可幫助汽車(chē)工程師減少與電源開(kāi)關(guān)相關(guān)的降低，并最大限度地降低整體功耗。與此相關(guān)的是，這些組件允許使冷卻系統(tǒng)和外圍組件更小、更簡(jiǎn)單。

在最近的一個(gè)例子中，三菱電機(jī)發(fā)布了一種金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體采用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）N溝道摻雜技術(shù)制成。這種方法需要添加供體雜質(zhì)以實(shí)現(xiàn)電子的負(fù)電流流動(dòng)。與P溝道JFET相比，N溝道JFET具有更高的溝道電導(dǎo)率和更低的電阻。

三菱表示，與傳統(tǒng)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）半導(dǎo)體相比，這種設(shè)計(jì)使電源系統(tǒng)的功耗降低了85%。此外，與開(kāi)關(guān)相關(guān)的功率損耗隨之降低，使工程師能夠縮小和簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)和外圍組件。使它們小型化和更直接，可以減少相關(guān)的尺寸和成本。

3.充電更快，里程焦慮更少

許多對(duì)電動(dòng)汽車(chē)感興趣的人仍然擔(dān)心這些汽車(chē)可能沒(méi)有足夠的續(xù)航里程來(lái)支持他們的典型旅行。一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題是給這些汽車(chē)充滿電所需的時(shí)間。新開(kāi)發(fā)的配備SiC半導(dǎo)體的逆變器有望將電動(dòng)汽車(chē)充電所需的時(shí)間減半。此外，這些新逆變器的電壓是以前型號(hào)的兩倍，這為它們提供了更大的功率。

Delphi Technologies和Cree之間的合作伙伴關(guān)系使用第一家公司的逆變器與Cree的SiC MOSFET相結(jié)合。逆變器采用專(zhuān)利電源開(kāi)關(guān)，采用雙面導(dǎo)熱冷卻設(shè)計(jì)。它降低了功率模塊的整體溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更高的功率輸出，以支持混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車(chē)的更長(zhǎng)續(xù)航里程。這些逆變器也比競(jìng)爭(zhēng)型號(hào)輕40%，緊湊 30%。

德?tīng)柛？萍嫉氖紫瘓?zhí)行官指出，SiC更快的開(kāi)關(guān)能力能夠?yàn)槲磥?lái)的汽車(chē)制造更快、更輕、更小的電機(jī)。此外，將電壓加倍可以在更小、更便宜的電源線或在制動(dòng)過(guò)程中更好地收集動(dòng)能等功能方面具有更大的靈活性。此外，由于逆變器的電源開(kāi)關(guān)與以前可用的硅開(kāi)關(guān)適合相同的逆變器封裝，因此降低了工程費(fèi)用。

一個(gè)有前途但不完美的選擇

其中一些發(fā)展還處于早期階段。這意味著工程師可能會(huì)遇到意想不到的陷阱，例如SiC基板可用性問(wèn)題或限制大規(guī)模生產(chǎn)可擴(kuò)展性的成本。

此外，當(dāng)今的大多數(shù)SiC半導(dǎo)體都位于用于低頻電路的芯片或引線鍵合封裝內(nèi)。這些方法適用于硅，但由于寄生電容和電感，這些較新選項(xiàng)的較高頻率限制了SiC的潛力。因此，如果汽車(chē)品牌追求廣泛采用SiC半導(dǎo)體，這一決定可能需要對(duì)制造設(shè)施進(jìn)行廣泛的改造。

即便如此，這里提到的與SiC半導(dǎo)體相關(guān)的收益可以說(shuō)令人印象深刻。它們可以為汽車(chē)工程師開(kāi)辟新的機(jī)會(huì)，同時(shí)使未來(lái)的車(chē)型對(duì)挑剔的消費(fèi)者更具吸引力。此外，制造商預(yù)計(jì)將獲得75%的盈利能力，因此更新半導(dǎo)體技術(shù)可能有助于這一增長(zhǎng)。

作為一名成功的工程師需要保持解決問(wèn)題的心態(tài)。從事改進(jìn)半導(dǎo)體的汽車(chē)創(chuàng)新工作的人無(wú)疑會(huì)遇到障礙，但克服這些障礙可以為未來(lái)的汽車(chē)帶來(lái)新的智慧和更好的設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷