碳化硅在新兴能源领域应用及现状

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电动汽车、智能电网、核电、太阳能、风能等能源领域以及航海、航空、航天、高速轨道交通等技术的不断发展,对功率器件的性能提出了更高的要求。目前,基于硅材料的功率器件已经随其结构设计和制造工艺的日趋完善而接近由材料本身特性所决定的理论极限,第三代半导体材料能够替代第一代半导体材料硅,满足未来更高需求,将在工业界获得更广泛的应用。

第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度,更高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及更高抗辐射能力,适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件,代表材料有碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝。目前,最成熟和应用潜力最大的第三代半导体材料为碳化硅,其各项指标均优于硅,其禁带宽度几乎是硅的3倍,理论工作温度可达600℃,远高于硅器件工作温度。

一、碳化硅在电动汽车领域的应用

碳化硅作为未来电动汽车充电模块和电动模块相关重要核心的先进电子材料,能实现绿色出行的能源供应、低碳、智能、可持续发展,最终抢占未来产业发展制高点。碳化硅器件对充电模块性能提升主要体现在三方面:(1)提高频率,简化供电网络;(2)降低损耗,减少温升。(3)缩小体积,提升效率。
碳化硅器件能提高纯电动汽车或混合动力汽车功率转化性能。电动汽车的电动模块中电动机是有源负载,其转速范围很宽,且在行驶过程中需要频繁地加速和减速,工作条件比一般的调速系统复杂,采用碳化硅功率器件可有效提高其驱动系统,获得更高的击穿电压、更低的开启电阻、更大的热导率以及能在更高温度下稳定工作,原来几公斤的散热片可大幅减少甚至直接删去,将引起电动汽车设计方面革命性的变化,能降低电动汽车或混合动力汽车功率转化能耗损失20%,对大幅提高电动汽车续航里程具有重要意义。

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图一 碳化硅应用于电动汽车

二、碳化硅在新型输电系统中的应用

碳化硅基功率开关由于具有极低的开启态电阻,并且能应用于高压、高温、高频场合,是硅基器件的理想替代者,如果使用碳化硅功率模块,与使用硅功率电源装置相比,由开关损失引起的功率损耗可降低5倍以上,对未来电网形态和能源战略调整将产生重大影响,其体积与重量减小40%以上。碳化硅器件规模应用于固态断路器、换流阀、有源滤波等已有装备为实现智能电网、加速我国能源战略转型提供核心元器件及关键装备等支撑。

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图二 碳化硅基功率开关

三、碳化硅材料在太阳能等领域的应用

碳化硅功率器件针对太阳能逆变器、不间断电源设备以及风能电机驱动器等大功率模组件的应用进行设计,以更小尺寸、更低物料成本以及更高的效率。新标准太阳能硅基逆变器典型的转换效率接近96%,而采用碳化硅基逆变器的平均效率能提高到97.5%,相当于减少25%的逆变器损耗,碳化硅基逆变器在风力发电领域可提高转换效率20%。

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图三 碳化硅基逆变器

四、碳化硅材料在LED照明领域的应用

LED光电器件的核心材料碳化硅和氮化镓等第三代半导体材料技术及应用正在成为全球半导体产业新的战略高地。碳化硅LED照明设备能将原LED灯使用数量下降1/3,成本下降40~50%,而亮度却提高两倍,导热能力提高10倍以上。LED照明是未来光照领域的发展方向,日常生活中人们可见到的各类信号灯、车内照明、信息屏、彩色显示设备,白光照明现在都利用碳化硅LED半导体照明,能够实现更高的电光转换效率,达到大幅降低成本和减少污染的目的。

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图四 碳化硅LED灯

五、碳化硅材料在新型反应堆燃料棒上的应用

核电厂产生的能量来自于燃料元件,核裂变产生的放射性裂变产物主要滞留在燃料元件内部,因此,燃料元件是反应堆的核心部件,直接影响核反应堆的经济性和安全性。碳化硅作为重要包壳和基体材料的各种结构新颖、功能完备的燃料元件模型不断被设计出来,目前高温气冷堆碳化硅包壳燃料元件已经开始走向商业化,其它含碳化硅材料燃料元件的研发也将加快步伐,除了燃料元件外,碳化硅材料在反应堆结构材料,堆内管道内衬等方面也有着广阔的应用前景。可以预见,随着核安全性要求的不断提高,碳化硅材料在核能领域将获得更加广泛的应用,发挥更加重要的作用。

鉴于碳化硅材料各方面的优良特性,其有望成为最重要的第三代半导体材料,未来会全面取代目前广泛应用的硅半导体材料,其应用领域更广,潜在市场更大,关系到国家经济的长远发展和战略安全。随着我国新能源汽车的推广和电网的升级改造,碳化硅材料将在电动汽车充电桩、提高电动汽车能源效率、智能电网建设、计算机领域等诸多方面得到大规模应用。

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