碳化硅器件在电动汽车领域的应用前景简析

随着工业的蓬勃发展，全球能源消耗逐年增加。在我国，机动车污染已成为空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因，机动车污染防治的紧迫性日益凸显。节能减排已成为汽车业发展的重大课题。因此，大力发展新能源汽车是实现节能减排，促进我国汽车产业可持续发展的战略性措施。

目前，EV（纯电动汽车）和HEV（混合动力汽车）的电力驱动部分主要由硅(Si)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Si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，因此，各汽车厂商都对新一代碳化硅(SiC)功率器件寄予了厚望。以碳化硅为代表的第三代半导体，与单晶硅和砷化镓等传统半导体材料相比，具有明显的优势，如高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高键合能、高化学稳定性、抗辐射性强等，决定了碳化硅在诸多领域有着不可替代的地位。主要如下：（1）SiC具有高热导率（达到4.9W/cmK），是Si的3.3倍。因此，SiC材料散热效果好，理论上，SiC功率器件可在 175℃结温下工作，因此散热器的体积可以显著减小，适合用来制作高温器件。（2）SiC具有高的击穿场强，其击穿电场是Si的10倍，因而适用于高压开关，最大功率处理能力强，使得SiC材料适于制作大功率、大电流器件。（3）SiC具有高的饱和电子漂移速率，其数值是Si的2倍，在高场下几乎不发生衰减，其高场处理能力强，因此，SiC材料适用于高频器件。SiC单晶在制备技术上也是第三代半导体材料中最成熟的。因此SiC是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。众所周知，高功率密度、高压、大电流IGBT功率模块是逆变器里最核心的部件，它的功率密度越高，电力驱动系统的设计则越紧凑，在相同体积下就能发挥更大功率。由于SiC器件电流密度高(如 Infineon 产品可达 700 A/cm2)，在相同功率等级下，全 SiC功率模块的封装尺寸显著小于Si IGBT功率模块，大大减小了功率模块的体积。另一方面，由于所有的功率转换都由IGBT执行，所以器件本身没有更多的空间来散热，也不能通过增加风扇等其他方式散热，这就要求IGBT本身有很好的散热功能。理论上，SiC 功率器件可在 175℃结温下工作，因此散热器的体积可以显著减小。此外，与传统硅IGBT相比，SiC器件的导通电阻较小导通损耗下降；特别是SiC SBDs，具有较小的反向恢复电流，开关损耗大幅降低，大幅提高系统效率。综上所述，碳化硅器件在电动汽车中的应用潜力巨大。SiC器件可以显著减小电力系统的体积、重量和成本。提高功率密度和系统效率。使其成为EV和HEV电力驱动装置中的理想器件，也将为电动汽车的动力驱动系统带来革命性的改变。在国家政策支持下，国内新能源汽车销量快速增长。根据工信部数据显示， 2015 年累计生产新能源汽车37.90万辆，同比增长4倍，销售33.11万辆，同比增长3.4倍，在全球新能源汽车超过50万辆的年销量中，中国市场的贡献超过一半。政策规划2020年累计销量达500万辆，复合增速50%以上。《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020 年）》指出2020年新能源汽车累计销量达到500万辆；同时，2015年国务院下发《中国制造2025》中明确提出到2020年我国自主品牌新能源汽车年销量突破100万辆，在国内市场占70%以上，新能源汽车销量达到145 辆以上。依据产业调研情况，在新能源汽车领域，每个充电桩需要SiC功率器件6只，功率器件单价在40-80元，总价值量为200-500元；新能源汽车大约需要SiC功率器件13只，单价在40-80，总价值量在 500-1000元。到2020年，中国新能源汽车年保有量按照500万量计算，分散式充电桩保有量480万个。到2020年仅新能源汽车贡献的SiC 潜在市场空间就超过百亿元。