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碳化硅(SiC)在新能源汽車電驅動系統中的應用

文章作者頭像
發布:liuxianglong 來源: 一覽眾車
PostTime:5-2-2020 10:14
碳化硅(SiC)是一種應用十分普遍的人造材料,因具有高硬度、耐高溫、耐磨、耐熱震、耐腐蝕、良好導電性、導熱性和吸收電磁波等特殊性能

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一、應用概況

碳化硅(SiC)是一種應用十分普遍的人造材料,因具有高硬度、耐高溫、耐磨、耐熱震、耐腐蝕、良好導電性、導熱性和吸收電磁波等特殊性能,除用作磨料外,在冶金、化工、陶瓷、航空航天等各工業部門均有廣泛應用。碳化硅在新能源汽車上的應用主要有充電模塊、車載充電機、壓縮機、變換器、電機驅動等部件。

圖表1SiC在新能源汽車中的應用

資料來源:一覽眾咨詢《2019-2025年新能源汽車電驅動市場及企業調研報告》

在新能源汽車中,功率器件是電驅動系統的主要組成部分,對其效率、功率密度和可靠性起著主導作用。目前,新能源汽車電驅動部分主要就硅基功率器件組成。隨著電動汽車的發展,對電驅動的小型化和輕量化提出了更高的要求。

目前,國內外半導體材料主要有Si(硅)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAS)、氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)等。

目前基于傳統硅(Silicon Si)功率器件的電機驅動器由于硅材料本身的限制已接近其極限,尤其在高頻和高功率領域更顯其局限性。SiC和GaN材料具有Si材料不可比擬的優勢。目前行業界的一個共識是:SiC基器件更適合高壓(&gt(參數|圖片);1200 V)大功率器件需求,而GaN基器件適合應用于中低壓 (<1 200 V)高速開關功率器件的需求。這兩種材料器件在600 V、1200 V和1700 V電壓等級應用形成競爭。

相比而言,GaN要實現產業化還需要十幾年時間,甚至更長時間,而SiC實現產業化則更為現實。與Si器件相比,以碳化硅(Silicon Carbide SiC)為代表的寬禁帶半導體功率器件具有更高的電壓等級、更高的開關速度、更高的結溫、更低的開關損耗等優勢。這些優勢讓SiC如今在電動汽車大功率半導體部件中開始應用。

圖表2硅基材料功率器件的工作極限

電動汽車的電動模塊中電動機是有源負載,其轉速范圍很寬,且在行駛過程中需要頻繁地加速和減速,工作條件比一般的調速系統復雜,采用碳化硅功率器件可有效提高其驅動系統,獲得更高的擊穿電壓、更低的開啟電阻、更大的熱導率以及能在更高溫度下穩定工作,可以大幅提升電動汽車輕量化水平。因此汽車廠商都對新一代碳化硅功率器件寄予了厚望,希望通過應用碳化硅功率器件大幅實現電動汽車逆變器和DC-DC 轉換器等驅動系統的小型輕量化。

二、市場格局

從產業格局看,目前全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大,占有全球SiC產量的70%-80%;歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈,在全球電力電子市場擁有強大的話語權;日本是設備和模塊開發方面的絕對領先者。

在SiC應用于電動汽車方面,SiC肖特基二極管器件已經廣泛應用于高端電源市場,包括PFC、光伏逆變器和高端家電變頻器。以SiC的龍頭企業美國科銳、德國英飛凌、日本羅姆等半導體巨頭公司為代表的功率器件公司逐步推出SiC金屬一氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)、雙極結型晶體管 (BJT)、結 型場效應管 (JFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IG—BT)產品。其中日本企業在SiC應用推廣上更加積極,不斷推出SiC二極管和 MOSFET的功率模塊 ,并在電動汽車和軌道交通上不斷進行應用研究,目前已經取得了明顯的成就。

日本:目前SiC器件在電動汽車(含混合動力汽車)上應用發展最快的是日本企業,典型為豐田公司。豐田中央研發實驗室和電裝公司 從1980年就開始合作開發SiC半導體材料,2014年5月他們正式發布了基于SiC半導體器件的零部件——應用于新能源汽車的功率控制單元(PCU)。

另外,本田汽車公司、日產汽車公司均和羅姆公司 就HEV/EV應用SiC半導體技術進行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開發出了使用SiC半導體器件的高功率電源模塊,將轉換器和逆變器的二極管和晶體管全部由硅器件改為SiC器件。

美國:福特汽車公司2015年底宣布計劃為電動汽車項目投資45億美元。近年福特公司已經就SiC/GaN器件在混合動力汽車上的應用進行了投資研究。另外,特斯拉已在車型中應用SiC功率器件。

另外SiC技術的著名企業美國Cree公司開發了多款適合于新能源汽車使用的SiC功率模塊,并和 合作伙伴合作推出了使用SiC功率模塊和二極管 的電動汽車充電樁整體解決方案。

中國:在科技部發布的《“新能源汽車”試點專項2017年度項目申報指南建議》資料顯示,對SiC第三代寬禁帶功率器有特別的要求,要求“寬禁帶電力電子模塊電流≥400A,電壓≥750V;電機控制器峰值功率密度≥30kW/L,匹配電機額定功率40-80kW,最高效率≥98.5%;產品裝車應用不低于1000套。

應用方面,國內的比亞迪在也已在SiC方面進行布局。比亞迪己投入巨資布局第三代半導體材料SiC。目前,比亞迪己經成功研發了SiC MOSFET(汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或MOSFET等)。預計到2023年,比亞迪將在旗下的電動車中,實現SiC基車用功率半導體對硅基IUBT的全面替代。

雖然我國開展SiC,GaN材料和器件方面的研究工作比較晚,但也有一些企業在產業化方面己初具規模,如SiC襯底制造商:北京天科合達半導體股份偉德足球;SiC外延制造商:東莞天域半導體科技偉德足球、瀚天天成電子科技(廈門)偉德足球;SiC器件制造商:南京國盛電子偉德足球、泰科天潤半導體科技(北京)偉德足球。同時我國多家半導體廠商也在積極布局SiC和GaN器件,華潤華晶微電子和華虹宏力就是其中的代表企業。

總體來看,新能源汽車行業上普遍認為電池是新能源汽車的技術瓶頸,對電機驅動、控制系統,充電系統中的新技術認識不足。實際上在汽車電力電子技術上,我國很多技術處于產業鏈空白,建立在現代功率半導體(IGBT和MOSFET等)基礎上的電子電路、芯片和模塊幾乎全都依賴進口。目前,以碳化硅、氮化鎵等為代表的第三代寬禁帶功率半導體在新能源汽車上的應用成為未來發展趨勢,然而在這些領域,我國在其應用研發上明顯落后于國外,國內企業還有較長的路要走。

三、存在的問題

盡管碳化硅功率器件在電動汽車驅動系統的使用中具有顯著的優勢和廣泛的應用前景,但仍有以下問題需要解決:

圖表1SiC在電動汽車驅動系統中應用存在的問題

資料來源:一覽眾咨詢《2019-2025年新能源汽車電驅動市場及企業調研報告》

針對存在的問題及應用現狀,可以判斷SiC器件應用將呈現如下趨勢:

  • 一是,提高開關頻率和母線電壓,一方面降低系統對電容、電感等無源器件的要求,另一方面允許電機轉速增大,減小電機額定轉矩,從而實現控制器成本的進一步壓縮;
  • 二是,提高功率器件的結溫,便于利用高溫冷卻液,或者應用風冷散熱方法,在降低散熱系統成本的同時,提升控制器功率密度;
  • 三是,改進芯片特性使之接近理論極限并提高成品率,減小芯片成本; 四是改進電磁兼容性能,對SiC器件引起的電磁干擾的產生機理和抑制方法進行深入研究。

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