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碳化硅微粉在新能源汽车中的应用
- 2020-02-15-

  一、 前言

  随着全球经济和技术的蓬勃发展,能源消耗逐年增加。目前,全球的二氧化碳排放中,25%来源于汽车。有报告指出,至2030年,二氧化碳排放量将曾至423亿吨[1]。在我国,汽车排放带来的污染已经成为城市大气污染的主要因素,我国的二氧化碳排放目前已居全球第二,节能减排已成为汽车业发展的重大课题。因此,发展新能源汽车是实现节能减排及我国汽车产业跨越式、可持续发展的必然战略措施。

  新能源汽车按动力源的不同,主要有三种:混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)、纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)和燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)。目前各种新能源汽车中,纯电动汽车和混合动力汽车是目前新能源汽车研究和发展的热点。

  电力驱动系统是新能源汽车动力性能、可靠性和成本的关键因素。目前,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[2]。因此,各汽车厂商都对新一代碳化硅功率器件寄予了厚望,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。

  二、 碳化硅微粉功率器件为何成为新能源汽车的最爱

  1. 高功率密度,降低功率模块体积

  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。(如图一所示)

  2. 低功率损耗,提高系统效率或工作频率

  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%(如图二所示)。

  另外,可实现100kHz以上的高速开关,开关频率可高达硅基IGBT模块的10倍以上。提高开关频率将显著的减小电感器、电容器等周边部件的体积和成本。

  3. 良好的高温稳定性,显著减小散热器体积和成本

  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。

  图3 为采用SiC SBDs的小功率EV 车载逆变器散热片体积和采用传统Si基半导体器件散热片体积的对比,可看出,采用SiC SBDs 器件散热片的体积大大减小[3]。

  目前电动汽车一般包含两套水冷系统,一套是马达冷却系统,另一套是逆变器等电子设备的冷却系统。通过采用碳化硅器件实现逆变器、马达一体化不但可以缩短逆变器与马达之间的布线距离,还能整合以往逆变器和马达需要分别配置的水冷却系统,重量和体积大为降低。

  基于上述原因,SiC器件也被美寓为“重环保时代的关键元件”。SiC功率半导体已成为节能、高效、环保的代名词。为此,汽车业界对SiC的期待十分迫切,丰田汽车表示“SiC具有与汽油发动机同等的重要性”。

  三、 企业开发实例

  为满足汽车厂商的需求,多家企业已进行了相应的开发。

  1. 电装在汽车技术展会上展出了输出功率密度高达60kW/L的逆变器。这是电装与丰田共同研发的成果。

  电装试制的逆变器在功率器件方面选用了碳化硅器件,同时采用自主开发的新型器件结构降低了电阻,从而抑制了电力损失。另外,通过改进逆变器模块的内部布线,减小了模块整体电阻,发热量较原产品降低了68%。

  试制的逆变器体积为0.5L,输出密度为60kW/L是在输出功率为30kW时得到的数据。此时功率元件的温度约为180℃。构成逆变器的器件出了碳化硅功率模块外,还包括驱动碳化硅功率器件的控制电路、散热片、冷却风扇及电容器等。

  2. 罗姆和安川电极也共同试制了面向电动汽车的行驶系统。该系统由马达及其驱动部分构成。特点是,通过在驱动部分采用罗姆的碳化硅功率元件,使驱动部分和马达实现了一体化。线圈切换部分、逆变器及其配备的栅极驱动IC和MCU等的控制器部分与马达部分组合在了一起。通过实现一体化。另外,通过采用碳化硅功率器件,逆变器的损失较硅功率器件的产品减少了一半。

  四、 国内量产碳化硅功率器件的厂家

  国内碳化硅功率器件的研发工作始于20世纪末,经过十几年的摸索,已经积累了一定的材料与器件制作经验。但与国外最高水平相比还有很大差距。

  在产业化方面,国内主要仅有少数几家公司从事碳化硅材料的相关工作。而从事碳化硅功率器件研发与生产的企业只有北京泰科天润半导体科技(北京)有限公司一家。其技术团队具有多年的碳化硅功率器件研发生产经验,经过两年攻关,泰科天润研发的碳化硅肖特基二极管产品已成功量产,产品涵盖600V—3300V等中高压范围,其产品成品率达到国际先进水平。碳化硅功率器件的量产,打破了欧、美、日长期以来的技术垄断,迈开了我国碳化硅功率器件产业化发展的第一步。

  五. 结语

  碳化硅功率器件以其优异的高耐压、低损耗、高导热率等优异性能,可以有效的实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化,被普遍认为是替代硅基功率器件最理想的新型半导体器件。随着碳化硅材料及其功率器件制备技术的不断成熟,成本和可靠性的不断优化,我们相信碳化硅功率器件将在新能源等领域有着广泛的应用前景。