一、 前言
隨著全球經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的蓬勃發(fā)展，能源消耗逐年增加。目前，全球的二氧化碳排放中，25%來(lái)源于汽車。有報(bào)告指出，至2030年，二氧化碳排放量將曾至423億噸[1]。在我國(guó)，汽車排放帶來(lái)的污染已經(jīng)成為城市大氣污染的主要因素，我國(guó)的二氧化碳排放目前已居全球第二，節(jié)能減排已成為汽車業(yè)發(fā)展的重大課題。因此，發(fā)展新能源汽車是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排及我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)跨越式、可持續(xù)發(fā)展的必然戰(zhàn)略措施。
新能源汽車按動(dòng)力源的不同，主要有三種：混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicle， HEV)、純電動(dòng)汽車(Electric Vehicle，EV)和燃料電池電動(dòng)汽車(Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)。目前各種新能源汽車中，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車是目前新能源汽車研究和發(fā)展的熱點(diǎn)。
電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車動(dòng)力性能、可靠性和成本的關(guān)鍵因素。目前，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的電力驅(qū)動(dòng)部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，對(duì)電力驅(qū)動(dòng)的小型化和輕量化提出了更高的要求。然而，由于材料限制，傳統(tǒng)硅基功率器件在許多方面已逼近甚至達(dá)到了其材料的本征極限，如電壓阻斷能力、正向?qū)▔航?、器件開關(guān)速度等，尤其在高頻和高功率領(lǐng)域更顯示出其局限性[2]。因此，各汽車廠商都對(duì)新一代碳化硅功率器件寄予了厚望，希望通過應(yīng)用碳化硅功率器件大幅實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車逆變器和DC-DC轉(zhuǎn)換器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型輕量化。
二、 碳化硅功率器件為何成為新能源汽車的最愛
1. 高功率密度，降低功率模塊體積
由于碳化硅器件與硅器件相比，有更高的電流密度。在相同功率等級(jí)下，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基IGBT模塊。豐田的技術(shù)人員在一場(chǎng)演講會(huì)上公開表達(dá)了對(duì)SiC的期待，他所強(qiáng)調(diào)的碳化硅功率器件的優(yōu)點(diǎn)之一就是能實(shí)現(xiàn)功率模塊的小型化。以IPM(Intelligent Power Module)為例，估計(jì)利用碳化硅功率模塊，體積可縮小至硅功率模塊的2/3-1/3。(如圖一所示)
2. 低功率損耗，提高系統(tǒng)效率或工作頻率
提高能源利用效率對(duì)許多廠商來(lái)說(shuō)是令人頭疼的難題。而碳化硅器件具有大幅提高設(shè)備的能源利用效率的特質(zhì)。碳化硅功率模塊與采用硅基IGBT的功率模塊相比，可將開關(guān)損失降低85%(如圖二所示)。
另外，可實(shí)現(xiàn)100kHz以上的高速開關(guān)，開關(guān)頻率可高達(dá)硅基IGBT模塊的10倍以上。提高開關(guān)頻率將顯著的減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。
3. 良好的高溫穩(wěn)定性，顯著減小散熱器體積和成本
由于碳化硅器件的能量損耗只有硅器件的一半，發(fā)熱量也只有硅器件的一半;另外，碳化硅器件還有非常優(yōu)異高溫穩(wěn)定性，因此，散熱處理也更加容易進(jìn)行，不但散熱器可以顯著減小，還可以實(shí)現(xiàn)逆變器與馬達(dá)的一體化。
圖3 為采用SiC SBDs的小功率EV 車載逆變器散熱片體積和采用傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體器件散熱片體積的對(duì)比，可看出，采用SiC SBDs 器件散熱片的體積大大減小[3]。
目前電動(dòng)汽車一般包含兩套水冷系統(tǒng)，一套是馬達(dá)冷卻系統(tǒng)，另一套是逆變器等電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)。通過采用碳化硅器件實(shí)現(xiàn)逆變器、馬達(dá)一體化不但可以縮短逆變器與馬達(dá)之間的布線距離，還能整合以往逆變器和馬達(dá)需要分別配置的水冷卻系統(tǒng)，重量和體積大為降低。
基于上述原因，SiC器件也被美寓為“重環(huán)保時(shí)代的關(guān)鍵元件”。SiC功率半導(dǎo)體已成為節(jié)能、高效、環(huán)保的代名詞。為此，汽車業(yè)界對(duì)SiC的期待十分迫切，豐田汽車表示“SiC具有與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)同等的重要性”。
三、 企業(yè)開發(fā)實(shí)例[4]
為滿足汽車廠商的需求，多家企業(yè)已進(jìn)行了相應(yīng)的開發(fā)。
1. 電裝在汽車技術(shù)展會(huì)上展出了輸出功率密度高達(dá)60kW/L的逆變器。這是電裝與豐田共同研發(fā)的成果。
電裝試制的逆變器在功率器件方面選用了碳化硅器件，同時(shí)采用自主開發(fā)的新型器件結(jié)構(gòu)降低了電阻，從而抑制了電力損失。另外，通過改進(jìn)逆變器模塊的內(nèi)部布線，減小了模塊整體電阻，發(fā)熱量較原產(chǎn)品降低了68%。
試制的逆變器體積為0.5L，輸出密度為60kW/L是在輸出功率為30kW時(shí)得到的數(shù)據(jù)。此時(shí)功率元件的溫度約為180℃。構(gòu)成逆變器的器件出了碳化硅功率模塊外，還包括驅(qū)動(dòng)碳化硅功率器件的控制電路、散熱片、冷卻風(fēng)扇及電容器等。
2. 羅姆和安川電極也共同試制了面向電動(dòng)汽車的行駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)由馬達(dá)及其驅(qū)動(dòng)部分構(gòu)成。特點(diǎn)是，通過在驅(qū)動(dòng)部分采用羅姆的碳化硅功率元件，使驅(qū)動(dòng)部分和馬達(dá)實(shí)現(xiàn)了一體化。線圈切換部分、逆變器及其配備的柵極驅(qū)動(dòng)IC和MCU等的控制器部分與馬達(dá)部分組合在了一起。通過實(shí)現(xiàn)一體化。另外，通過采用碳化硅功率器件，逆變器的損失較硅功率器件的產(chǎn)品減少了一半。
四、 國(guó)內(nèi)量產(chǎn)碳化硅功率器件的廠家
國(guó)內(nèi)碳化硅功率器件的研發(fā)工作始于20世紀(jì)末，經(jīng)過十幾年的摸索，已經(jīng)積累了一定的材料與器件制作經(jīng)驗(yàn)。但與國(guó)外最高水平相比還有很大差距。
在產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)內(nèi)主要僅有少數(shù)幾家公司從事碳化硅材料的相關(guān)工作。而從事碳化硅功率器件研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)只有北京泰科天潤(rùn)半導(dǎo)體科技(北京)有限公司一家。其技術(shù)團(tuán)隊(duì)具有多年的碳化硅功率器件研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過兩年攻關(guān)，泰科天潤(rùn)研發(fā)的碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品已成功量產(chǎn)，產(chǎn)品涵蓋600V—3300V等中高壓范圍，其產(chǎn)品成品率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。碳化硅功率器件的量產(chǎn)，打破了歐、美、日長(zhǎng)期以來(lái)的技術(shù)壟斷，邁開了我國(guó)碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的第一步。
五. 結(jié)語(yǔ)
碳化硅功率器件以其優(yōu)異的高耐壓、低損耗、高導(dǎo)熱率等優(yōu)異性能，可以有效的實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化，被普遍認(rèn)為是替代硅基功率器件最理想的新型半導(dǎo)體器件。隨著碳化硅材料及其功率器件制備技術(shù)的不斷成熟，成本和可靠性的不斷優(yōu)化，我們相信碳化硅功率器件將在新能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
參考：
[1] 電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)研究分析報(bào)告
[2] 寬禁帶碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車中的研究與應(yīng)用
[3] Zhao B，Qin H，Wen J，et al.Characteristics，applications and challenges of SiC power devices for future power electronic system
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