浮思特| 碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)中主要應(yīng)用

第三代半導(dǎo)體技術(shù)以及碳化硅(SiC)材料，正迅速崛起并且在科技產(chǎn)業(yè)中引起廣泛關(guān)注，這兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合，為我們帶來(lái)了前所未有的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，將深刻改變我們的生活方式、產(chǎn)業(yè)發(fā)展，甚至全球經(jīng)濟(jì)格局。

第三代半導(dǎo)體是什么

第三代半導(dǎo)體技術(shù)是基于新的材料和結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)高效能、低功耗、高頻率等需求。這種半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展旨在克服傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體的限制，以實(shí)現(xiàn)更高性能和更多的應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)（通常是基于硅材料的技術(shù)）具有多方面的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使它們?cè)诟鞣N應(yīng)用中具有重要的價(jià)值，以下是第三代半導(dǎo)體技術(shù)的一些主要優(yōu)點(diǎn)：

高性能：第三代半導(dǎo)體材料（如碳化硅SiC）具有優(yōu)異的電子特性，包括高電子遷移率和高電流密度，使得它們能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率和更高的功率密度。這使得在高性能應(yīng)用中，如高速通信、高效能電源管理和人工智慧處理等方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。

低功耗：第三代半導(dǎo)體技術(shù)通常具有較低的功耗，這對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命、節(jié)省能源以及降低運(yùn)營(yíng)成本非常重要。尤其在移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)車(chē)、無(wú)線通信等應(yīng)用中，低功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考量。

高溫穩(wěn)定性：碳化硅和氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，這使得它們適用于高溫環(huán)境下的應(yīng)用，例如汽車(chē)引擎控制、航空航天、高溫電源轉(zhuǎn)換等。

高頻操作：第三代半導(dǎo)體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高頻操作，這使得它們?cè)诟咚偻ㄐ藕蜔o(wú)線通信等領(lǐng)域中具有潛力。高頻率操作能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的通信延遲。

節(jié)能環(huán)保：由于低功耗和高效能轉(zhuǎn)換特性，第三代半導(dǎo)體技術(shù)有助于節(jié)約能源和減少碳足跡。這符合當(dāng)今全球節(jié)能和碳中和的重要目標(biāo)。

小尺寸高集成度：一些第三代半導(dǎo)體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更小的器件尺寸和更高的集成度，這使得在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多功能成為可能，同時(shí)降低了成本。

第三代半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括高性能、低功耗、高溫穩(wěn)定性、高頻操作、節(jié)能環(huán)保以及小尺寸高集成度。這些優(yōu)勢(shì)使它們?cè)诟鞣N應(yīng)用領(lǐng)域中受到廣泛關(guān)注，從而推動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步。

碳化硅(SIC)是什么

定義：SiC碳化硅器件是指以碳化硅為原材料制成的器件，按照電阻性能的不同分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅基射頻器件。它是一種廣泛應(yīng)用的非金屬材料，因其一些獨(dú)特的物理和化學(xué)特性而受到廣泛關(guān)注。

高耐壓特性：碳化硅材料具有優(yōu)異的絕緣性能和高耐壓能力，因此非常適合在高壓環(huán)境中使用。這使得碳化硅元件在電力轉(zhuǎn)換和控制應(yīng)用中特別有用，例如電動(dòng)車(chē)和電動(dòng)車(chē)充電樁。

低耗損特性：碳化硅材料的低電導(dǎo)率損失意味著在電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱量相對(duì)較少。這使得碳化硅元件在高功率應(yīng)用中表現(xiàn)出色，同時(shí)能夠降低能源消耗和提高效率。

高溫穩(wěn)定性：碳化硅能夠在極高溫度下穩(wěn)定運(yùn)作，這對(duì)于在高溫環(huán)境中工作的應(yīng)用非常重要。它可以用于車(chē)輛電子、航空航天、太陽(yáng)能發(fā)電以及工業(yè)設(shè)備等需要高溫操作的領(lǐng)域。

高頻操作：由于碳化硅具有高電子遷移率，它在高頻電子元件中表現(xiàn)出色。這對(duì)于通信設(shè)備、雷達(dá)系統(tǒng)和高頻功率放大器等應(yīng)用非常有價(jià)值。

節(jié)能環(huán)保：由于碳化硅的高效能轉(zhuǎn)換特性和低功耗，它有助于節(jié)約能源和減少碳排放，這符合現(xiàn)代綠色能源和環(huán)保的趨勢(shì)。

碳化硅是一種多功能的半導(dǎo)體材料，擁有強(qiáng)大的高壓、高功率、高溫、高頻等特性。這使得它在電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)車(chē)充電樁、再生能源發(fā)電設(shè)備等應(yīng)用中具有巨大的應(yīng)用潛力，并有望在未來(lái)的科技和工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮更多作用。

碳化硅(SIC)的電動(dòng)車(chē)應(yīng)用

在中高壓領(lǐng)域，碳化硅基電力電子器件將繼續(xù)滲透，新能源汽車(chē)仍將是最大應(yīng)用領(lǐng)域。導(dǎo)電型碳化硅功率器件廣泛應(yīng)用于新能源汽車(chē)、光伏、高鐵、工業(yè)電源等領(lǐng)域，汽車(chē)是最大的終端應(yīng)用市場(chǎng)。

功率轉(zhuǎn)換器和電源控制器：電動(dòng)車(chē)的電動(dòng)機(jī)需要控制器來(lái)調(diào)節(jié)電流和電壓，碳化硅電晶體（SiCMOSFETs或SiCIGBTs）被廣泛應(yīng)用于功率轉(zhuǎn)換器和電源控制器中。碳化硅元件具有較低的電導(dǎo)通損耗和高溫穩(wěn)定性，這使得它們能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的能源轉(zhuǎn)換，同時(shí)減少散熱需求，有助于提高電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程和效能。

快速充電技術(shù)：電動(dòng)車(chē)的充電速度是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，碳化硅的高功率特性使其成為快速充電技術(shù)的理想選擇。碳化硅元件可以實(shí)現(xiàn)更高的充電功率，縮短充電時(shí)間，提高用戶(hù)的便利性。

高溫操作：電動(dòng)車(chē)的電子元件需要能夠在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)作，例如在電動(dòng)車(chē)引擎室中。碳化硅元件的高溫穩(wěn)定性使得它們?cè)谶@樣的應(yīng)用中表現(xiàn)出色，并有助于提高電動(dòng)車(chē)的可靠性。

節(jié)能和續(xù)航里程：由于碳化硅的低功耗特性，它有助于減少電動(dòng)車(chē)的能源消耗，延長(zhǎng)電池的續(xù)航里程。這對(duì)于提高電動(dòng)車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性非常重要。

導(dǎo)電型碳化硅功率器件目前主要應(yīng)用于逆變器中。它提供了高效率、高功率、高溫穩(wěn)定性和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，有助于推動(dòng)電動(dòng)車(chē)技術(shù)的發(fā)展，提高了電動(dòng)車(chē)的性能和可靠性。

碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域主要用于：主驅(qū)逆變器、車(chē)載充電系(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車(chē)載DC/DC)和充電樁

主驅(qū)逆變器：碳化硅MOSFET在電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)逆變器中相比Si-IGBT優(yōu)勢(shì)明顯，雖然當(dāng)前SiC器件單車(chē)價(jià)格高于Si-IGBT，但SiC器件的優(yōu)勢(shì)可降低整車(chē)系統(tǒng)成本：（1）由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，采用碳化硅MOSFET的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航距離相比硅基IGBT可延長(zhǎng)5%-10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可減少電池容量，降低電池成本。（2）碳化硅MOSFET的高頻特性可使得逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸得以大幅減少，進(jìn)而噪聲音量也會(huì)降低。電驅(qū)體積的減小，可以減少整體電機(jī)系統(tǒng)的磨損。（3）碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機(jī)功率相同的情況下可以通過(guò)提升電壓來(lái)降低電流強(qiáng)度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。

車(chē)載充電系統(tǒng)(OBC)：車(chē)載充電機(jī)(OBC)為電動(dòng)汽車(chē)的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，通過(guò)使用車(chē)載充電器可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電，OBC是決定充電功率和效率的關(guān)鍵器件。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)來(lái)說(shuō)，碳化硅MOSFET相比Si基器件同樣具有系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：（1）更低的系統(tǒng)成本。雖然SiC器件相較于Si基器件價(jià)格較貴，但是使用SiC器件的OBC可以節(jié)省磁感器件和驅(qū)動(dòng)器件成本，從而降低系統(tǒng)成本。（2）更高的峰值效率。OBC中使用SiC器件后充電峰值效率較使用Si基器件的系統(tǒng)提升2點(diǎn)。（3）更大的功率密度。使用SiC器件的系統(tǒng)功率密度較Si基器件提升約50%，從而減少OBC的重量和體積。

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車(chē)載DC/DC)和充電樁：DC-DC轉(zhuǎn)換器是改變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。車(chē)載DC/DC轉(zhuǎn)換器可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，主要給車(chē)內(nèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、水泵、車(chē)燈、空調(diào)等低壓用電系統(tǒng)供電。未來(lái)隨著電動(dòng)汽車(chē)電池電壓升至800V高壓平臺(tái)，1200V的SiCMOSFET有望被廣泛應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中：（1）首先，OBC與DC-DC等功率器件集成化趨勢(shì)顯，22KW車(chē)載充電機(jī)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器與OBC有望集成（2）其次，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中，SiC的高速恢復(fù)特性最為合適；（3）為能夠適配原400V直流快充樁，搭載800V電壓平臺(tái)的新車(chē)須配有額外DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升壓，進(jìn)一步增加對(duì)DC-DC的需求。

未來(lái)隨著碳化硅器件在新能源汽車(chē)、能源、工業(yè)、通訊等領(lǐng)域滲透率提升，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)提升。2027年全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)80億美元。