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半导体新材料助力新能源汽车产业发展

       众所周知我国是新能源汽车产销量大国,连续6年居世界首位,为宽禁带半导体的技术验证和更新迭代提供了大量应用数据样本,同时也为新能源汽车的发展做出了重要贡献。通过实验证明禁带半导体能有效提升新能源汽车性能并降低系统性成本,在新能源汽车领域的应用正处于“小步快跑”阶段,未来两年有望迎来市场大爆发,但要实现规模化应用,还需要产业链协同,多个层面发力。

以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,可以极大满足新能源汽车电动化、网联化、智能化发展趋势的要求,对新能源汽车发展具有重要意义。

首先了解下什么是宽禁带半导体材料?

宽禁带半导体材料也被称为第三代半导体材料。固体中电子的能量具有不连续的量值,电子都分布在一些相互之间不连续的能带上。价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带或带隙。所以禁带的宽度实际上反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。硅的禁带宽度为1.12电子伏特(eV),而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在2.3eV及以上的半导体材料,典型的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等材料。

宽禁带半导体材料拥有高频、高功率、耐高温、抗高辐射、光电性能优异等特点,特别适合于制造电力电子、微波射频、光电子等元器件,与新能源汽车所代表的电气化、智能化趋势天然契合。

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碳化硅与新能源汽车的结合

在传统的新能源汽车也就是纯电动车领域,碳化硅主要用于电机驱动逆变器、OBC(车载充电机)和DC-DC车载电源转换器。其中,用于电机驱动逆变器的功率模块是最主要且增长空间最大的车用碳化硅产品。随着新能源汽车技术的发展,以及氢燃料电池技术的应用,碳化硅的应用区间得到了大幅提升。

在快充领域,一般来说50度电的新能源汽车满充需要2个小时,而超级快充可以在10~15分钟将电充满。在超级快充的过程中,电池包会产生大量的热,而最新的散热技术是基于车载空调的散热系统,这就为采用碳化硅器件的大功率空压机提供了应用空间。此外,氢燃料电池在把气体转化成电能时,空压机对空气进行高速分离的过程中,以及氢燃料的电堆DC—DC在升压过程中,硅器件已无法承担此类系统对于高频高效的需求,从而需要采用碳化硅功率器件来达到效果。

虽然碳化硅器件成本略高于硅基器件,但采用碳化硅器件实现了电池成本的大幅下降和续航里程的提升,从而有效降低了整车成本。数据显示,在新能源汽车使用碳化硅MOSFET的90~350Kw驱动逆变器,碳化硅增加的成本为75~150美元,为电池、空间、冷却系统节省的成本在525~850美元,系统性成本显著下降。

碳化硅器件在新能源汽车中的技术价值,主要体现在能耗优化、动力性能提升和车辆轻量化等指标上。一是宽温区,硅基IGBT的温区一般在125~150度,碳化硅的工作温度可以达到200度;二是更高的能量转化效率;三是更高的集成度。

相比硅基,基于碳化硅功率模块的电机控制器能实现30%~40%的减重,以及75%左右的体积缩小。

使用碳化硅器件,能在乘用车的前机舱让出更多空间,并降低整车重量。这就意味着车辆能耗降低,因为车辆能耗与风阻和重量密切相关。

碳化硅在新能源汽车的应用,正处于“小步快跑”与批量化部署的临界点上。Yole数据显示,2019年碳化硅功率器件市场中有2.25亿美元来源于新能源汽车,预计到2025年,碳化硅功率器件在新能源汽车领域的市场规模将达到15.53亿美元,年复合增长率达38%。此外,受益于新能源车充电桩等基础设施快速落地,预计到2025年应用于充电桩的碳化硅市场规模将达到2.25亿美元,年复合增长率达90%。因此在未来两年碳化硅在新能源汽车的应用或将迎来市场大爆发。