SiC在新能源汽车中的技术应用

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第三代半导体是满足"创新驱动发展"国家战略需求、实现绿色、低碳、智能和可持续发展、抢占未来产业发展制高点、支撑国民经济可持续发展不可或缺的先进电子材料，也是全球战略竞争新的制高点。

背景

根据乘联会数据，2017年第1季度共销售新能源乘用车4.95万辆，预计到2020年达到500万辆。

新能源汽车的发展必然离不开充电桩，预计到2020年配套的新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个。

相同规格能源车的价格是常规动力汽车的1.5~2倍，昂贵的价格是消费者难以接受的，这也是新能源汽车普及和推广的最大难题。目前各国普遍采用的方法是实现关键部件的轻量化、提高功率密度，来进一步延长续航距离和降低整车成本。

电池、电机、电机驱动是新能源汽车的三大核心部件，世界各国都在竭力降低这三大部件的体积和重量。

电机驱动由主回路和控制电路构成，而主回路部分的体积和重量约占总体的85%。

功率器件是主回路的核心。在影响电机驱动体积与重量的各部件中，功率器件所占的比重超过65%。

因此，围绕功率器件进一步提高功率密度成为世界各研发机构降低电机驱动成本的研发重点。

现有车用控制器普遍采用硅芯片，经过20多年的技术开发已经十分成熟，在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限。以碳化硅为代表的第三代半导体材料因具有高热导率、高硬度、耐化学腐蚀、耐高温、对光波透明等优良性质，吸引各国学者的注意力，目前已成为电力电子器件的新宠。

基于碳化硅技术的功率开关管和功率二极管，比硅基器件的特性有很大提高，即碳化硅器件更适合高频、高压和高温的工作环境、车载充电器和充电桩使用碳化硅器件后将充分发挥高频、高温和高压三方面的优势，可实现充电系统高效化、小型化和高可靠性。

SiC详细介绍请看前几期内容：SiC材料及应用大梳理。

我国首个碳化硅（SiC）新型充电桩示范工程，于2017年4月26日正式启动了，标志着我国碳化硅新型充电桩迈出了实际应用的第一步。

国际发展的现状与总体趋势

世界各国都在努力开发碳化硅芯片，并希望能够尽快应用到车用电机控制器中。美国能源部在2012年度研究报告中明确指出，利用碳化硅器件是实现2020年车用电机驱动系统成本降低一半的关键要素，在其部署的新能源车开发项目中60%的项目与碳化硅器件应用相关。

以美国科瑞公司(CREE)和日本罗姆公司(Rohm)为首的各国器件制造厂商现已开发出多种适合新能源汽车的碳化硅开关芯片与二极管芯片，部分芯片已实现产业化。

碳化硅器件正在被应用于混合动力汽车和电动汽车的开发过程中。

国内发展的现状与总体趋势

为抢占下一代新能源汽车用电机驱动系统技术制高点，引领宽禁带半导体应用的新纪元，科技部、发改委、工信部和国家自然科学基金委等多个部门携手，大力推进SiC功率器件和系统研发，在基础研究、关键技术和具体应用等多个层面给予了有力的支持。

国内高校、企业和研究所陆续开展了相关研究，初步构建了SiC“单晶-外延-器件”产业链条。我国正在掌握宽禁带电力电子的关键技术，科研工作已从过去的单纯跟踪向领先技术突破迈进。

国内已有部分厂商采用SiC单管实现简单的地面充电桩系统。但是由于SiC单管的电流小，多支SiC单管并联后，由于杂散参数的影响，并联单管电流不平衡，导致个别单管发热较大，影响系统寿命。同时由于采用SiC分立器件，系统容量难以进一步提升，因此充电系统的仅能完成简单的充电功能。

技术瓶颈

通过碳化硅芯片降低新能源车的成本，需要通过新型拓扑结构，提高开关频率和母线电压，可以降低系统对无源器件的要求，使电容、电感成本降低；提高母线电压和器件开关频率，可以允许电机转速增大，减小电机额定转矩，降低电机成本；提高功率器件的节温，便于利用高温冷却液，或者应用风冷散热方法，降低散热系统成本；改进芯片特性使之接近理论极限并提高成品率，可以减小芯片成本。

在实现成本降低的过程中，待解决的问题主要集中在：探索新型拓扑结构和集成化，实现芯片稳定高速开关，满足高温运行的封装技术，优化散热系统，改进芯片特性并降低工艺成本，电磁兼容和高频磁元件设计。

产业化应用障碍

1、电力电子集成度与国外产品相比较差距较大

从电力电子控制系统部件来说，我国在车用功率模块、电容器、接插件等关键部件的研发和生产能力起步较晚，与车用工况需求差距较大。

在电力电子集成系统方面，国内目前应用于各类电动车辆的功率控制单元（PCU）、集成控制单元（IPU）的集成度仍需要进一步提高。

2、可靠性、耐久性、环境适应性的设计与认证水平仍有较大差距

从车辆应用环境出发，对电机控制器系统的可靠性、耐久性与环境条适应性研究和试验验证，预测和评估方法等方面仍需要深入研究，加大试验验证力度。

3、批量生产工艺水平、专用生产设备、自动化生产线水平与产品的一致性需要加强受制于目前的生产规模，车用电机控制系统的生产工艺水平仍停留在人工生产和半自动生产水平，规模化的生产线和相应的专业生产设备仍与汽车工业生产的需求差距较大，产品的一致性和质量保证体系仍需要加强。

4、产品规范与检测标准仍存在差距

按照汽车工业标准和汽车应用需求的产品设计、生产、标准化、检验规范和检测标准的水平和能力仍然存在。

小结

可靠性和低成本是电力电子努力的方向。作为新一代能源技术革命，SiC电力电子器件在电源转换、逆变器等应用中已经具有技术和综合成本优势，规模化生产促进价格进一步下降，将在充电桩、新能源汽车等中小功率市场快速启动。

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