下一代SiC半导体在汽车中的应用

随着越来越多的工程师选择碳化硅半导体而不是以前的硅半导体，碳化硅半导体越来越受欢迎。

碳化硅（SiC）半导体最近越来越受欢迎，因为越来越多的工程师选择它们而不是以前的硅半导体。它们可以承受比硅半导体更高的电压水平和温度。

这些特性和其他特性使它们在汽车行业具有吸引力。这些半导体具有汽车制造商和车主都喜欢的优势，例如更快的电池充电和更高的能源效率。以下是该领域取得令人振奋进展的三个例子：

1. 减少散热，同时促进更高的开关频率

这些半导体的一个引人注目的应用是允许电力电子设备的更高开关频率，这些电力电子设备共同充当电动和混合动力汽车的“指挥中心”。从 2018 年 6 月开始，博世制定了建设大型 SiC 半导体制造工厂的计划。该品牌的工艺涉及通过将额外的碳原子引入超纯硅的晶体结构中来产生化学键。

将碳化硅盘变成芯片需要先进的制造工艺，可持续长达 14 周。博世没有提供有关这些步骤的进一步细节，但它强调了完成这些步骤的优势。这种方法可以减少50%的热量损失。这一结果为电动机带来了更高效的电力电子设备和能量，这意味着驾驶员可以获得更长的续航里程。

与硅半导体相比，SiC半导体还具有更好的导电性。这一优势允许与电力电子设备性能相关的更快开关频率。增加的开关容量允许使用更小的支撑元件，如电感器和变压器。

此外，SiC半导体提供的最小散热使工程师能够在昂贵的选项上花费更少，以保持动力总成冷却。这一优势减少了车辆的尺寸和重量尺寸，并将精密的电子设备保持在推荐的温度范围内，以获得良好的性能和更长的使用寿命。

2. 降低功率元件的消耗，以及更多的小型化

SiC半导体还可帮助汽车工程师减少与电源开关相关的降低，并最大限度地降低整体功耗。与此相关的是，这些组件允许使冷却系统和外围组件更小、更简单。

在最近的一个例子中，三菱电机发布了一种金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）半导体，该半导体采用结型场效应晶体管（JFET）N沟道掺杂技术制成。这种方法需要添加供体杂质以实现电子的负电流流动。与P沟道JFET相比，N沟道JFET具有更高的沟道电导率和更低的电阻。

三菱表示，与传统的绝缘栅双极晶体管（IGBT）半导体相比，这种设计使电源系统的功耗降低了85%。此外，与开关相关的功率损耗随之降低，使工程师能够缩小和简化冷却系统和外围组件。使它们小型化和更直接，可以减少相关的尺寸和成本。

3.充电更快，里程焦虑更少

许多对电动汽车感兴趣的人仍然担心这些汽车可能没有足够的续航里程来支持他们的典型旅行。一个相关的问题是给这些汽车充满电所需的时间。新开发的配备SiC半导体的逆变器有望将电动汽车充电所需的时间减半。此外，这些新逆变器的电压是以前型号的两倍，这为它们提供了更大的功率。

Delphi Technologies和Cree之间的合作伙伴关系使用第一家公司的逆变器与Cree的SiC MOSFET相结合。逆变器采用专利电源开关，采用双面导热冷却设计。它降低了功率模块的整体温度，同时实现了更高的功率输出，以支持混合动力和全电动汽车的更长续航里程。这些逆变器也比竞争型号轻40%，紧凑 30%。

德尔福科技的首席执行官指出，SiC更快的开关能力能够为未来的汽车制造更快、更轻、更小的电机。此外，将电压加倍可以在更小、更便宜的电源线或在制动过程中更好地收集动能等功能方面具有更大的灵活性。此外，由于逆变器的电源开关与以前可用的硅开关适合相同的逆变器封装，因此降低了工程费用。

一个有前途但不完美的选择

其中一些发展还处于早期阶段。这意味着工程师可能会遇到意想不到的陷阱，例如SiC基板可用性问题或限制大规模生产可扩展性的成本。

此外，当今的大多数SiC半导体都位于用于低频电路的芯片或引线键合封装内。这些方法适用于硅，但由于寄生电容和电感，这些较新选项的较高频率限制了SiC的潜力。因此，如果汽车品牌追求广泛采用SiC半导体，这一决定可能需要对制造设施进行广泛的改造。

即便如此，这里提到的与SiC半导体相关的收益可以说令人印象深刻。它们可以为汽车工程师开辟新的机会，同时使未来的车型对挑剔的消费者更具吸引力。此外，制造商预计将获得75%的盈利能力，因此更新半导体技术可能有助于这一增长。

作为一名成功的工程师需要保持解决问题的心态。从事改进半导体的汽车创新工作的人无疑会遇到障碍，但克服这些障碍可以为未来的汽车带来新的智慧和更好的设计。

审核编辑：郭婷