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【行业资讯】碳化硅的应用和现状
發布日期:2018-10-31     閱讀:65

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、新能源等领域获得更广泛的应用。

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。

1 、碳化硅的特性

碳化硅SiC是一种由硅﹙Si﹚与碳﹙C﹚所构成的化合物半导体材料。其结合力非常强大,使其不论在热力学上、化学上与机械上都能够呈现高度安定的状态。纯碳化硅是无色的,工业用碳化硅由于含有铁质等,因而呈现棕色至黑色,晶体上彩虹般光泽则是由于表面产生的二氧化硅钝化层所导致。

碳化硅存在许多不同的晶体型态,由于相似晶体结构的同质多型体,使得碳化硅具有同质多晶的特点。α-碳化硅(α-SiC)是这些多型体中最为常见的,在大于1700℃的温度下形成,特色是具有六方晶体结构。另外还有类似钻石的β-碳化硅(β-SiC),这是在低于1700℃的条件下形成的。相较于α-碳化硅,β-碳化硅拥有更大比例的表面积,因此可用于非均相催化剂的负载体。至于用于打造功率元件的碳化硅,则以4H-SiC最为适合。

2 、碳化硅在新能源汽车领域的应用

碳化硅作为未来新能源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。

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,新能源汽车大约需要SiC功率器件13只,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。          

3、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。


4、碳化硅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%。

5、碳化硅面临的困境及建议

碳化硅不论是在热力学、化学以及物理学等方面,都是非常安定的化合物半导体,其参数对于功率元件来说十分重要。不只特性上超越了硅半导体的低电阻、高速及高温工作,并且还可大幅减少电力在输送到机器过程中,各种功率转换所导致的能源损耗。近年来随着碳化硅材料的应用逐渐成熟,加上其在半导体领域的独特优势,使得碳化硅已经逐渐走向实用化,但是在产业化的道路上,目前遇到的问题是高昂的成本和市场推广的难度。

成本问题:虽然单从价格方面来看,碳化硅器件成本普遍要高3-5倍。但是,碳化硅器件能够大幅度降低相关器件的需求量及体积,从而大幅度降低系统成本。因此,碳化硅器件成本并不是简单的价格问题,而且随着市场规模的增大,也会逐渐降低碳化硅组件的价格。

市场推广难度:碳化硅功率器件的使用是一个系统工程,碳化硅功率器件的使用还远远不只是一个简单的器件替换问题,很多企业往往是山寨别人已有的系统设计,对器件和系统的互动关系理解不深:

A:终端用户对碳化硅器件的性能不了解。功率器件属于最保守的工业领域之一。目前所有的功率器件用户经验都是关于硅器件的。以全新半导体新材料为基础的碳化硅器件,和相应的硅器件性质上有很大差别。

B:碳化硅器件厂商本身对应用的了解也不够,产品开发的技术负责人往往没有应用背景,无法和下游用户的应用工程师、品质负责人等有效沟通交流。目前的民品封装基本还是沿用硅器件的材料和技术,限制了最重要的材料高温特性方面的优势。

所以,碳化硅的市场普及,在市场推广过程中,需要产业链上下游积极配合。

注:文章部分资料来源于网络,感谢行业伙伴做出的贡献

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