Карбид кремния стал одним из важнейших полупроводниковых материалов в силовой электронике электромобилей. Однако карбид кремния обычно не используется для производства аккумуляторных ячеек, электродвигателя или кузова автомобиля.

Вместо этого, кремниевые пластины обрабатываются в силовые полупроводниковые приборы, такие как MOSFET-транзисторы и диоды Шоттки на основе карбида кремния. Эти приборы управляют и преобразуют высоковольтное электричество внутри автомобиля.

Основные автомобильные применения включают тяговые инверторы, бортовые зарядные устройства, высоковольтные DC-DC преобразователи и отдельные вспомогательные системы питания. Карбид кремния также становится все более важным в зарядной инфраструктуре.

Краткий обзор применений карбида кремния в электромобилях

Понимание потока мощности внутри электромобиля

Тяговая батарея электромобиля подает постоянный ток, в то время как тяговый двигатель обычно требует управляемого переменного тока. Зарядка, движение, рекуперативное торможение и питание низковольтной электроники — все это требует преобразования электричества между различными напряжениями и формами.

Эти преобразования выполняются системами силовой электроники.

Традиционные электромобили обычно используют кремниевые IGBT-транзисторы, кремниевые MOSFET-транзисторы и кремниевые диоды. Эти устройства остаются подходящими для многих применений, особенно там, где приоритетом являются стоимость, работа при низком напряжении и устоявшееся производство.

Однако по мере увеличения напряжения и мощности автомобиля потери при переключении, тепловыделение и размер компонентов становятся более важными. Именно здесь широкозонные устройства на основе карбида кремния обеспечивают значительные преимущества.

1. Тяговый инвертор: самое важное применение карбида кремния в электромобиле

Тяговый инвертор в настоящее время является наиболее важным автомобильным применением карбида кремния.

Во время ускорения инвертор преобразует постоянный ток от тяговой батареи в трехфазный переменный ток для двигателя. Он также управляет скоростью и крутящим моментом двигателя.

Во время рекуперативного торможения процесс преобразования работает в обратном направлении. Электричество, генерируемое двигателем, преобразуется обратно в постоянный ток и возвращается в батарею.

Поскольку тяговый инвертор многократно переключает высокие напряжения и большие токи, он может вызывать значительные потери проводимости и переключения. Традиционные кремниевые IGBT-транзисторы зрелые и надежные, но их поведение при переключении может ограничивать эффективность при более высоких рабочих частотах.

MOSFET-транзисторы из карбида кремния могут обеспечить:

• Меньшие потери при переключении
• Снижение потерь, связанных с обратным восстановлением
• Более высоких частот переключения
• Высоковольтная способность
• Снижение требований к охлаждению в оптимизированной системе
• Увеличение плотности мощности инвертора
• Потенциальное уменьшение размера и веса инвертора

Фактическое повышение эффективности зависит от скорости автомобиля, нагрузки двигателя, стратегии переключения, конструкции системы охлаждения и цикла движения. Карбид кремния не гарантирует фиксированного увеличения запаса хода, но снижение потерь в инверторе может улучшить общее использование энергии.

Преимущество часто особенно ценно при работе с частичной нагрузкой, движении по шоссе и других условиях, в которых эффективность силовой электроники сильно влияет на общее потребление автомобиля.

2. Бортовое зарядное устройство

Бортовое зарядное устройство, или OBC, преобразует внешний переменный ток в управляемый постоянный ток для зарядки тяговой батареи.

Его стадии преобразования мощности могут включать:

• Фильтрация входного переменного тока
• Коррекция коэффициента мощности
• Преобразование переменного тока в постоянный
• Изолированное или неизолированное преобразование постоянного тока в постоянный
• Регулирование напряжения и тока батареи

MOSFET-транзисторы и диоды Шоттки из карбида кремния могут использоваться на стадиях коррекции коэффициента мощности и преобразования постоянного тока в постоянный. Их способность к высокочастотному переключению позволяет инженерам уменьшить размер некоторых трансформаторов, индукторов и конденсаторов.

Потенциальные преимущества OBC включают:

• Более высокая эффективность преобразования
• Снижение тепловыделения
• Меньшие магнитные компоненты
• Более высокая плотность мощности
• Снижение веса системы
• Улучшенная пригодность для высоковольтных батарей

Двунаправленные бортовые зарядные устройства также могут поддерживать работу от автомобиля к сети, от автомобиля к дому или от автомобиля к нагрузке. Эти функции требуют эффективного двунаправленного преобразования энергии и представляют собой еще одно потенциальное применение для ключей из карбида кремния.

Однако выбор компонентов по-прежнему зависит от мощности зарядного устройства, топологии переключения, напряжения, тепловых требований и целевой стоимости.

3. Высоковольтный DC-DC преобразователь

Электромобиль обычно содержит как высоковольтную, так и низковольтную электрические системы.

Тяговая батарея может работать при нескольких сотнях вольт, в то время как освещение, информационно-развлекательные системы, датчики, контроллеры и другая электроника обычно работают от системы 12 В или 48 В.

Высоковольтный DC-DC преобразователь понижает напряжение тяговой батареи до требуемого низкого напряжения. Он также питает электронику автомобиля и заряжает низковольтную батарею.

Устройства на основе карбида кремния могут использоваться в высоковольтных DC-DC преобразователях для обеспечения эффективного переключения и уменьшения размера системы. Их производительность может поддерживать более высокие частоты переключения, что может уменьшить размер магнитных компонентов.

Не каждый автомобильный DC-DC преобразователь требует карбида кремния. Кремниевые MOSFET-транзисторы могут оставаться более экономичными для низковольтных или низкопроизводительных стадий. Ценность карбида кремния возрастает, когда преобразователь должен работать с высоким входным напряжением, высокой мощностью и требовательными тепловыми условиями.

4. Электрический компрессор кондиционера

В отличие от двигателя внутреннего сгорания, электромобиль не может полагаться на тепловые отходы двигателя для удовлетворения всех потребностей в температуре салона и батареи. Поэтому электрические компрессоры, тепловые насосы, насосы охлаждающей жидкости и высоковольтные нагреватели играют важную роль в управлении тепловым режимом автомобиля.

Электрический компрессор кондиционера содержит двигатель и инвертор, который управляет двигателем. MOSFET-транзисторы из карбида кремния могут использоваться в выбранных высоковольтных инверторах компрессора для снижения потерь мощности и улучшения работы при высоких температурах.

Возможные преимущества включают:

• Улучшенная эффективность привода компрессора
• Снижение тепловыделения инвертора
• Более компактная силовая электроника
• Лучшая совместимость с высоковольтными архитектурами

Применение менее универсально, чем тяговый инвертор. Экономическая целесообразность использования карбида кремния зависит от мощности компрессора, рабочего напряжения, тепловой конструкции и ожидаемого повышения эффективности.

5. Высоковольтные нагреватели и вспомогательные системы

Силовые устройства на основе карбида кремния также могут использоваться в отдельных высоковольтных вспомогательных системах, включая:

• Контроллеры нагревателей PTC
• Силовая электроника тепловых насосов
• Электрические насосы охлаждающей жидкости
• Электрические масляные насосы
• Компрессоры воздуха топливных элементов
• Приводы вспомогательных двигателей
• Твердотельные автоматические выключатели
• Электронные предохранители
• Двунаправленные силовые модули
• Высоковольтные распределительные устройства

Многие из этих систем по-прежнему используют кремниевые устройства. Карбид кремния с большей вероятностью будет выбран, когда высокое напряжение, высокая частота переключения, компактная упаковка или снижение требований к охлаждению оправдывают дополнительные затраты на устройство.

6. Оборудование для быстрой зарядки постоянным током

Быстрое зарядное устройство постоянного тока не устанавливается внутри автомобиля, но является важной частью экосистемы питания электромобилей.

Быстрые зарядные устройства преобразуют переменный ток сети в регулируемый высоковольтный постоянный ток, который подается непосредственно на тяговую батарею. По мере увеличения выходной мощности зарядного устройства преобразовательные модули должны справляться с более высокими напряжениями, токами и тепловыми нагрузками.

MOSFET-транзисторы и диоды из карбида кремния могут помочь зарядным модулям достичь:

• Более высокой эффективности преобразования мощности
• Снижения потерь при переключении
• Более высоких частот переключения
• Меньших силовых модулей
• Снижения потребности в охлаждении
• Более высокой выходной мощности в ограниченном объеме корпуса

Использование карбида кремния само по себе не определяет скорость зарядки. Максимальная скорость зарядки также зависит от батареи автомобиля, состояния заряда, температуры батареи, протокола зарядки, емкости кабеля и стратегии управления тепловым режимом.

Почему карбид кремния важен для платформ электромобилей 800 В?

Увеличение напряжения аккумуляторной системы позволяет автомобилю передавать ту же мощность при более низком токе.

Более низкий ток может снизить резистивные потери в кабелях, шинах и электрических соединениях. Он также может поддерживать более высокую мощность зарядки без необходимости чрезмерного увеличения размера проводника.

Однако более высокое напряжение системы предъявляет более строгие требования к:

• Напряжению пробоя полупроводника
• Производительности переключения
• Электрической изоляции
• Упаковочным материалам
• Зазорам и расстояниям
• Системам охлаждения и защиты

Карбид кремния имеет гораздо более высокое критическое электрическое поле, чем кремний. Поэтому он может поддерживать высоковольтные силовые устройства с относительно низкими потерями при переключении и проводимости.

Это делает карбид кремния особенно привлекательным для тяговых инверторов, бортовых зарядных устройств и DC-DC преобразователей класса 800 В. Это одна из причин, по которой внедрение карбида кремния часто начинается с высоковольтных и высокопроизводительных автомобильных платформ.

В каких формах карбид кремния устанавливается в автомобиле?

Сырая кремниевая пластина обычно не устанавливается непосредственно в электромобиль. Она должна пройти несколько этапов производства.

1. Рост кристаллов карбида кремния

Высокочистый исходный материал из карбида кремния обрабатывается при чрезвычайно высоких температурах для выращивания монокристаллического слитка карбида кремния.

2. Производство подложек

Слиток ориентируется, нарезается, шлифуется, полируется и очищается для получения подложек из карбида кремния. Для автомобильных силовых устройств обычно используется проводящий 4H-SiC.

3. Эпитаксиальный рост

Контролируемый эпитаксиальный слой карбида кремния выращивается на полированной подложке. Его толщина и легирование рассчитываются в соответствии с требуемым напряжением устройства и электрическими характеристиками.

4. Изготовление устройств

Процессы полупроводникового производства на уровне пластин создают MOSFET-транзисторы, диоды Шоттки или другие силовые устройства из карбида кремния.

5. Упаковка и сборка модулей

Устройства нарезаются, электрически соединяются и собираются в дискретные корпуса или силовые модули. Готовый модуль может включать полупроводниковые кристаллы, металлические проводники, керамические подложки, базовые пластины и интерфейсы охлаждения.

6. Интеграция в автомобильную систему

Упакованные устройства или модули интегрируются в инвертор, зарядное устройство или преобразователь. Драйверы затвора, шины, конденсаторы, системы охлаждения и управляющее программное обеспечение должны быть оптимизированы для электрического поведения карбида кремния.

Почему карбид кремния улучшает силовую электронику электромобилей?

Меньшие потери при переключении

MOSFET-транзисторы из карбида кремния могут переключаться более эффективно, чем кремниевые IGBT-транзисторы, во многих высоковольтных применениях. Меньшие потери при переключении снижают потери энергии и тепловыделение.

Более высокая частота переключения

Более высокая рабочая частота может уменьшить размер выбранных трансформаторов, индукторов и конденсаторов. Однако более высокая частота также увеличивает важность контроля электромагнитных помех и компоновки схемы.

Высокотемпературная способность

Широкая запрещенная зона карбида кремния обеспечивает работу в более требовательных температурных условиях. Практический максимум температуры по-прежнему ограничен упаковкой, межсоединениями, драйверами затвора и требованиями к надежности системы.

Более высокая плотность мощности

Меньшие потери и более высокая частота переключения позволяют обрабатывать большую мощность в меньшем объеме при соответствующей конструкции всей системы.

Высоковольтные характеристики

Карбид кремния хорошо подходит для классов напряжения, используемых в современных системах тяги и зарядки электромобилей, особенно в высоковольтных платформах.

Всегда ли карбид кремния увеличивает запас хода электромобиля?

Карбид кремния может снизить потери при преобразовании мощности, но нет универсального процента, на который он увеличивает запас хода автомобиля.

Результат зависит от:

• Напряжения и емкости батареи
• Эффективности двигателя
• Топологии инвертора
• Скорости движения
• Массы и аэродинамики автомобиля
• Температуры окружающей среды
• Конструкции системы охлаждения
• Стратегии управления
• Городского или шоссейного цикла движения

Производители могут использовать преимущество эффективности по-разному. Одна конструкция может увеличить запас хода, в то время как другая может уменьшить емкость батареи, уменьшить размер системы охлаждения или увеличить производительность автомобиля.

Поэтому карбид кремния следует оценивать на системном уровне, а не только путем сравнения отдельных спецификаций полупроводников.

Почему карбид кремния не используется в каждом силовом компоненте электромобиля?

Карбид кремния обеспечивает высокую производительность, но также создает технические и коммерческие проблемы.

Более высокая стоимость материалов и устройств

Рост кристаллов карбида кремния и обработка пластин сложнее, чем традиционное производство кремния. Это приводит к более высокой стоимости подложек и устройств.

Контроль дефектов кристаллов и поверхности

Микротрубки, дислокации, дефекты упаковки, царапины на поверхности и повреждения под поверхностью могут влиять на эпитаксиальный рост и выход годных устройств. Автомобильные применения требуют строгой согласованности материалов и прослеживаемости.

Требования к драйверам затвора

MOSFET-транзисторы из карбида кремния переключаются быстро и требуют тщательно разработанных драйверов затвора, схем защиты и управления переключением.

Паразитная индуктивность

Быстрые переходные процессы тока и напряжения делают компоновку модуля, конструкцию шин и индуктивность корпуса особенно важными.

Электромагнитные помехи

Более высокие скорости переключения могут создавать проблемы с электромагнитной совместимостью, если вся силовая система не спроектирована должным образом.

Защита от короткого замыкания

Устройства из карбида кремния могут требовать более быстрой диагностики и защиты от неисправностей, чем традиционные кремниевые IGBT-транзисторы, в зависимости от устройства и конструкции системы.

Для низковольтных или чувствительных к стоимости систем кремниевые MOSFET-транзисторы и IGBT-транзисторы по-прежнему могут обеспечивать наилучший баланс производительности, зрелости и стоимости.

Выбор подложек из карбида кремния для разработки автомобильных силовых устройств

Качество подложек из карбида кремния напрямую влияет на эпитаксиальный рост и изготовление устройств. При закупке пластин для разработки автомобильных силовых полупроводников покупатели должны указывать не только диаметр и толщину пластины.

Важные параметры запроса предложения включают:

• Политип, обычно 4H-SiC
• Тип проводимости
• Легирующий элемент и диапазон удельного сопротивления
• Диаметр пластины
• Ориентация кристалла
• Угол и направление отклонения от оси
• Si-грань или C-грань
• Номинальная толщина и допуск
• Общее отклонение толщины
• Изгиб и коробление
• Односторонняя или двусторонняя полировка
• Шероховатость поверхности
• Требования к микротрубкам и дислокациям
• Пределы дефектов поверхности
• Спецификация края, плоскости или выреза
• Идентификация пластины и прослеживаемость партии
• Требования к сертификату анализа и карте пластины
• Требования к очистке и упаковке

Исследовательские пластины, заглушки и подложки для устройств не следует рассматривать как взаимозаменяемые материалы. Следует выбирать правильный класс в зависимости от требований к эпитаксии, разработке процесса, калибровке оборудования или производству устройств.

Заключение

Карбид кремния в основном используется в высоковольтных системах преобразования мощности электромобилей. Его наиболее важное применение — тяговый инвертор, за которым следуют бортовые зарядные устройства, высоковольтные DC-DC преобразователи и выбранные системы управления тепловым режимом или вспомогательные системы питания.

Устройства из карбида кремния действуют как высокоскоростные электронные ключи. Они не накапливают энергию и не приводят автомобиль в движение механически. Вместо этого они контролируют перемещение электрической энергии между батареей, двигателем, входным зарядным устройством и электроникой автомобиля.

Их меньшие потери при переключении, высоковольтная способность и потенциал более высокой плотности мощности делают их особенно привлекательными для высокопроизводительных электромобилей класса 800 В. Однако окончательная ценность зависит от полной конструкции системы, включая упаковку, управление затвором, охлаждение, защиту и электромагнитную совместимость.

Поскольку электрические системы электромобилей продолжают двигаться в сторону более высокого напряжения, более быстрой зарядки и более компактной силовой электроники, ожидается, что карбид кремния будет играть все более важную роль наряду с традиционными кремниевыми устройствами.