探讨碳化硅在电动汽车领域的应用

随着电动汽车、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，基于硅基材料制作的功率器件已经随其结构设计和制造工艺的改进日趋完善，但受到材料本身的特点，限制了其进一步的完善。第三代半导体材料的出现满足了人们对于未来器件使用的更高需求，人们预测第三代半导体材料能够替代第一代半导体材料，在工业界获得更广泛的应用。

第三代半导体材料具有高禁带宽度，高的击穿电场、热导率、电子饱和速率及高抗辐射能力，适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，主要代表材料有碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等。其中，碳化硅材料各项指标均优于硅，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。技术成熟度最高，应用潜力最大。

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中的关键先进电子材料，有望推动实现绿色出行的能源供应、低碳、智能、可持续发展，抢占未来高科技产业发展的制高点。碳化硅器件对电动车充电模块性能的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；并且能保证在更高温度下可以稳定工作，原来几公斤的散热片可大幅减少甚至直接删去，这将引起电动汽车设计方面革命性的变化，使电动汽车或混合动力汽车功率转化能耗损失降低20%，对大幅提高电动汽车续航里程具有重要意义。

图：使用碳化硅材料的新能源汽车

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。与使用硅功率电源装置相比，使用碳化硅功率模块，其体积与重量会减小40%以上，同时由开关损失引起的功率损耗可降低5倍以上，这将对未来电网形态和能源战略调整产生重大影响。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上将为实现智能电网、加速我国能源战略转型提供核心元器件及关键装备等提供支撑。

碳化硅智能功率模块

三、碳化硅在太阳能等领域的应用

碳化硅功率器件应用于太阳能逆变器、不间断电源设备以及风能电机驱动器等大功率模组件，可以使设备的尺寸更小、物料成本更低以及效率更高。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%，相当于减少了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%。

芯光润泽光伏逆变器实现尺寸缩减、降低物料成本以及效率提高

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的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。