碳化硅快充時(shí)代來臨,800V高壓超充開始普及!
一直以來,“里程焦慮”、“充電緩慢”都是卡住新能源汽車脖子的關(guān)鍵問題,是車企和車主共同的焦慮;
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202303/444198.htm但隨著高壓電氣技術(shù)的不斷進(jìn)步和快充時(shí)代的到來,將SiC(碳化硅)一詞推向了市場的風(fēng)口浪尖。
繼2019年4月保時(shí)捷Taycan Turbo S 全球首發(fā)三年后,800V高壓超充終于開始了普及。相比于400V,800V帶來了更高的功效,大幅提升功率,實(shí)現(xiàn)了15分鐘的快充補(bǔ)能。
而構(gòu)建800V超充平臺(tái)的靈魂就是材料的革新,基于碳化硅的新型控制器,便引領(lǐng)著這一輪高壓技術(shù)的革命。
小鵬發(fā)布的800V高壓SiC平臺(tái)
Si(硅)早已是大多數(shù)電子應(yīng)用中的關(guān)鍵半導(dǎo)體材料,但與SiC(碳化硅)相比,則顯得效率低下:
根據(jù)半導(dǎo)體材料的區(qū)別,行業(yè)內(nèi)通??梢詫雽?dǎo)體分為三代:
第一代半導(dǎo)體材料大部分為目前廣泛使用的高純度硅;第二代化合物半導(dǎo)體材料包括砷化鎵、磷化銦;第三代化合物半導(dǎo)體材料以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表。
SiC(碳化硅)是一種由Si(硅)和C(碳)構(gòu)成的化合物半導(dǎo)體材料。
不僅絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍,帶隙是Si的3倍,而且在器件制作時(shí)可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的p型、n型,所以被認(rèn)為是一種超越Si極限的功率器件材料。
SiC(碳化硅)中存在各種多型體(結(jié)晶多系),它們的物性值也各不相同;用于功率器件制作,4H-SiC最為合適。
圖片來自:IEEE
是什么讓SiC(碳化硅)引領(lǐng)著這一輪高壓技術(shù)的革命?
主要是因?yàn)椋篠iC(碳化硅)擁有更高的臨界雪崩擊穿場強(qiáng)、更大的導(dǎo)熱系數(shù)和更寬的禁帶。
SiC(碳化硅)具有3電子伏特(eV)的寬禁帶,可以承受比硅大8倍的電壓梯度而不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿,禁帶越寬,在高溫下的漏電流就越小,效率也越高;而導(dǎo)熱系數(shù)越大,電流密度就越高。
它的絕緣擊穿場強(qiáng)是Si的10倍:因此與Si器件相比,能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層作出600V~數(shù)千V的高耐壓功率器件。
高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成,因此采用SiC可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。
圖片來自Yole2016
特別是:在理論上,相同耐壓的器件SiC(碳化硅)單位面積的漂移層阻抗可以降低到Si的1/300:
而Si材料中,為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題,主要采用如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 絕緣柵極雙極型晶體管)等少數(shù)載流子器件(雙極型器件);但是卻存在開關(guān)損耗大 的問題,其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會(huì)限制IGBT的高頻驅(qū)動(dòng)。
SiC(碳化硅)材料卻能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件(肖特基勢壘二極管和MOSFET)去實(shí)現(xiàn)高耐壓,從而同時(shí)實(shí)現(xiàn) "高耐壓"、"低導(dǎo)通電阻"、"高頻" 這三個(gè)特性。
另外,帶隙較寬,是Si的3倍,因此SiC(碳化硅)功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定工作。
在SiC(碳化硅)強(qiáng)大的性能優(yōu)勢下,其也終于迎來“輝煌時(shí)代”:
據(jù)最近Yole給出的數(shù)據(jù)顯示:SiC(碳化硅)元件將從2021年10.9億美元成長到2027年63億美元,年復(fù)合成長率達(dá)到34%。
無論是當(dāng)代的新勢力車企代表特斯拉還是傳統(tǒng)車企代表通用汽車,它們?cè)?020年和2021年有多款新發(fā)布的電動(dòng)車都在變壓器上采用SiC(碳化硅)元件:
根據(jù)Yole調(diào)查:特斯拉創(chuàng)紀(jì)錄的出貨量幫助SiC(碳化硅)元件在2021年超越10億美元銷售額的關(guān)卡。
如今通用汽車和特斯拉等汽車制造商正加大投資,讓采用SiC(碳化硅)元件的電動(dòng)車在充電后,能行駛更遠(yuǎn),并且電池耗盡時(shí),也可更快地充電。
簡單來說,SiC(碳化硅)元件正在推動(dòng)電動(dòng)車走向未來:
SiC(碳化硅)元件正在爭奪電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)核心的80%左右的功率電子裝置,包括將儲(chǔ)存在汽車電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為車輛電動(dòng)馬達(dá)所需的交流電之主牽引逆變器(Main Traction Inverter);SiC晶片還在電動(dòng)車其他部分爭取地位,例如車載充電器和直流-直流轉(zhuǎn)換器。
Yole認(rèn)為為了滿足長續(xù)航里程的需求,800V電動(dòng)車是實(shí)現(xiàn)快速直流充電的解決方案,這就是1200V SiC元件可以發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。
從中國這個(gè)全球最大的電動(dòng)汽車市場來看,上汽、廣汽等車企已經(jīng)開始布局碳化硅全產(chǎn)業(yè)鏈,這為國內(nèi)供應(yīng)商創(chuàng)造了寶貴的發(fā)展機(jī)遇:
特別是,截至目前為止,比亞迪的Han-EV通過提供快速充電獲得了不錯(cuò)的銷售量。
因?yàn)檫@一刺激,2022年將有更多汽車制造商(例如:蔚來汽車、小鵬汽車等)采用SiC元件于電動(dòng)車上并推向市場。
但與其它領(lǐng)域相同,新技術(shù)在誕生初期,都面臨著成本過高的問題:
但是可以確定的是:現(xiàn)在的碳化硅就像過去光伏領(lǐng)域的HJT電池、氫能領(lǐng)域的膜電極、動(dòng)力電池領(lǐng)域的固態(tài)電池一樣,有著比較大的降本空間。
伴隨著技術(shù)的進(jìn)步、規(guī)模效應(yīng)和產(chǎn)品良率的提升,SiC(碳化硅)也必然會(huì)憑借其優(yōu)異的性能被更廣大的下游客戶所接受。
最后的最后,借用歌德的名言:
今日所做之事勿候明天,自己所做之事勿候他人。
愿每一位半導(dǎo)體從業(yè)者可以——
常觀望,常攀登!
評(píng)論