下一代SiC半導(dǎo)體在汽車中的應(yīng)用

隨著越來越多的工程師選擇碳化硅半導(dǎo)體而不是以前的硅半導(dǎo)體，碳化硅半導(dǎo)體越來越受歡迎。

碳化硅（SiC）半導(dǎo)體最近越來越受歡迎，因為越來越多的工程師選擇它們而不是以前的硅半導(dǎo)體。它們可以承受比硅半導(dǎo)體更高的電壓水平和溫度。

這些特性和其他特性使它們在汽車行業(yè)具有吸引力。這些半導(dǎo)體具有汽車制造商和車主都喜歡的優(yōu)勢，例如更快的電池充電和更高的能源效率。以下是該領(lǐng)域取得令人振奮進展的三個例子：

1. 減少散熱，同時促進更高的開關(guān)頻率

這些半導(dǎo)體的一個引人注目的應(yīng)用是允許電力電子設(shè)備的更高開關(guān)頻率，這些電力電子設(shè)備共同充當電動和混合動力汽車的“指揮中心”。從 2018 年 6 月開始，博世制定了建設(shè)大型 SiC 半導(dǎo)體制造工廠的計劃。該品牌的工藝涉及通過將額外的碳原子引入超純硅的晶體結(jié)構(gòu)中來產(chǎn)生化學(xué)鍵。

將碳化硅盤變成芯片需要先進的制造工藝，可持續(xù)長達 14 周。博世沒有提供有關(guān)這些步驟的進一步細節(jié)，但它強調(diào)了完成這些步驟的優(yōu)勢。這種方法可以減少50%的熱量損失。這一結(jié)果為電動機帶來了更高效的電力電子設(shè)備和能量，這意味著駕駛員可以獲得更長的續(xù)航里程。

與硅半導(dǎo)體相比，SiC半導(dǎo)體還具有更好的導(dǎo)電性。這一優(yōu)勢允許與電力電子設(shè)備性能相關(guān)的更快開關(guān)頻率。增加的開關(guān)容量允許使用更小的支撐元件，如電感器和變壓器。

此外，SiC半導(dǎo)體提供的最小散熱使工程師能夠在昂貴的選項上花費更少，以保持動力總成冷卻。這一優(yōu)勢減少了車輛的尺寸和重量尺寸，并將精密的電子設(shè)備保持在推薦的溫度范圍內(nèi)，以獲得良好的性能和更長的使用壽命。

2. 降低功率元件的消耗，以及更多的小型化

SiC半導(dǎo)體還可幫助汽車工程師減少與電源開關(guān)相關(guān)的降低，并最大限度地降低整體功耗。與此相關(guān)的是，這些組件允許使冷卻系統(tǒng)和外圍組件更小、更簡單。

在最近的一個例子中，三菱電機發(fā)布了一種金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體采用結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）N溝道摻雜技術(shù)制成。這種方法需要添加供體雜質(zhì)以實現(xiàn)電子的負電流流動。與P溝道JFET相比，N溝道JFET具有更高的溝道電導(dǎo)率和更低的電阻。

三菱表示，與傳統(tǒng)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）半導(dǎo)體相比，這種設(shè)計使電源系統(tǒng)的功耗降低了85%。此外，與開關(guān)相關(guān)的功率損耗隨之降低，使工程師能夠縮小和簡化冷卻系統(tǒng)和外圍組件。使它們小型化和更直接，可以減少相關(guān)的尺寸和成本。

3.充電更快，里程焦慮更少

許多對電動汽車感興趣的人仍然擔(dān)心這些汽車可能沒有足夠的續(xù)航里程來支持他們的典型旅行。一個相關(guān)的問題是給這些汽車充滿電所需的時間。新開發(fā)的配備SiC半導(dǎo)體的逆變器有望將電動汽車充電所需的時間減半。此外，這些新逆變器的電壓是以前型號的兩倍，這為它們提供了更大的功率。

Delphi Technologies和Cree之間的合作伙伴關(guān)系使用第一家公司的逆變器與Cree的SiC MOSFET相結(jié)合。逆變器采用專利電源開關(guān)，采用雙面導(dǎo)熱冷卻設(shè)計。它降低了功率模塊的整體溫度，同時實現(xiàn)了更高的功率輸出，以支持混合動力和全電動汽車的更長續(xù)航里程。這些逆變器也比競爭型號輕40%，緊湊 30%。

德爾?？萍嫉氖紫瘓?zhí)行官指出，SiC更快的開關(guān)能力能夠為未來的汽車制造更快、更輕、更小的電機。此外，將電壓加倍可以在更小、更便宜的電源線或在制動過程中更好地收集動能等功能方面具有更大的靈活性。此外，由于逆變器的電源開關(guān)與以前可用的硅開關(guān)適合相同的逆變器封裝，因此降低了工程費用。

一個有前途但不完美的選擇

其中一些發(fā)展還處于早期階段。這意味著工程師可能會遇到意想不到的陷阱，例如SiC基板可用性問題或限制大規(guī)模生產(chǎn)可擴展性的成本。

此外，當今的大多數(shù)SiC半導(dǎo)體都位于用于低頻電路的芯片或引線鍵合封裝內(nèi)。這些方法適用于硅，但由于寄生電容和電感，這些較新選項的較高頻率限制了SiC的潛力。因此，如果汽車品牌追求廣泛采用SiC半導(dǎo)體，這一決定可能需要對制造設(shè)施進行廣泛的改造。

即便如此，這里提到的與SiC半導(dǎo)體相關(guān)的收益可以說令人印象深刻。它們可以為汽車工程師開辟新的機會，同時使未來的車型對挑剔的消費者更具吸引力。此外，制造商預(yù)計將獲得75%的盈利能力，因此更新半導(dǎo)體技術(shù)可能有助于這一增長。

作為一名成功的工程師需要保持解決問題的心態(tài)。從事改進半導(dǎo)體的汽車創(chuàng)新工作的人無疑會遇到障礙，但克服這些障礙可以為未來的汽車帶來新的智慧和更好的設(shè)計。

審核編輯：郭婷