半导体材料从以锗(Ge)和硅(Si)为代表的第一代到以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代,再到目前热门的以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代,家族在不断壮大。而在汽车领域,碳化硅将发挥怎样的重要作用?

 

无论是过去还是现在,人类对新材料探索的脚步便从未停止。我们用智慧一次又一次打破了自然界秩序的束缚,如造物主一般创造设计出闻所未闻见所未见的新材料,现代社会也因此发生了深刻而又全面的改变。

 

在天然环境下,碳化硅(SiC)几乎不存在,人们只在46亿年前形成的陨石中发现过其踪迹。而如今,这位经历46亿年时光之旅的“天外来客”已经摘下了神秘的面纱,走进人们的日常生活中。

 

硅基半导体陷入瓶颈,WBG接棒前行

 

任何元器件在其单位体积的功率转换都有“天花板”,第一代和第二代半导体材料在输出功率方面似乎已达极限。在过去50年中,硅(Si)功率元器件的出现为现代工业技术以及各类消费电子产品的发展铺平了道路。但硅材料器件性能提高的潜力愈来愈小。不少厂家为追求更高能效而被迫增大器件体积也实属是无奈之举。

 

禁带宽度仅有1.12eV的硅材料半导体,在现代大功率应用场景中已有些力不从心。而WBG(宽带隙半导体)拥有着更高的临界电场可实现更薄、更高掺杂的电压阻挡层,可使其在多数载流子架构中将导通电阻降低几个数量级。高击穿电场和低导通损耗意味着WBG可以以更小的外形尺寸实现相同的阻断电压和导通电阻。可以生成更小、更快、更高效的器件,并在高压、高温的严酷环境中正常工作。也正因如此,集万千优点于一身的WBG自然成为了各类新兴应用的关键助燃剂。

 

电力电子领域从半导体工艺技术的创新中受益匪浅,以碳化硅为代表WBG材料半导体已经开始在各个领域中开枝散叶。特别是在汽车电子领域中。对于电动汽车来说,能效至关重要,作为动力总成系统的关键部件,电动汽车逆变器对功率密度有着与生俱来的高要求。车载功率半导体器件不仅是电动汽车的机体组成,而且还承担着降低成本、瘦身减重的重要使命。曾经基于低损耗大功率Si IGBT模块的高功率密度集成技术在车用驱动系统中扮演着无法取代的角色。

 

车企新宠——碳化硅

 

随着系统轻量化和缩短充电时间的需求增加,人们对提高电压和输出功率的要求越来越高。与采用传统的Si IGBT功率模块相比,碳化硅功率元器件可将导通电阻降低到大约两个数量级,在提高输出功率的同时有效实现逆变器的小型化和轻量化,从而为设计师留下了更多的遐想空间。碳化硅功率器件在应用于电源转换系统时,还可以广泛降低功率损耗,被公认为是一种简单、优雅且实用的功率器件。

 

碳化硅功率器件在新能源汽车上的应用,可以提升续航,缩短充电时间,加上原本的城市低速场景节能优势,使新能源车越发符合消费者理想中的汽车标准。当然,碳化硅也并非完美无缺,相对较高的成本和较低的良率等问题仍需要优化解决。也正因如此,碳化硅半导体搭载于一些高端、高性能新能源车型上,欲想大面积普及,依然任重道远。

 

在碳中和浪潮之下,在后摩尔时代的今天,以碳化硅为代表的第三代半导体已成为众多半导体巨头们的“兵家必争之地”。走到了聚光灯下碳化硅半导体,是名副其实的车用半导体明日之星。毫无疑问,它有着光明的未来。

 

除了宽带隙、高热导率等特点,碳化硅还有什么其它优势?你看好未来碳化硅在汽车领域的发展吗?欢迎在下方留言讨论。