Pojazdy hybrydowe wchodzą w erę SiC

Chińska technologia hybrydowa wykorzystuje węglik krzemowy, aby przeprowadzić rewolucję efektywności

Niedawno Wuling Motors oficjalnie ogłosił przyjęcie technologii węglanu krzemu (SiC) w swoich hybrydowych pojazdach.Chery Auto zaprezentowało również nowe rozwiązania związane z systemami hybrydowymi opartymi na SiCWiodący chińscy producenci samochodów, tacy jak Geely, Changan, BAIC i Hongqi, również dokonali strategicznych inwestycji w branży hybrydowej węglowodorów krzemowych.Zastosowanie technologii SiC stało się głównym punktem odniesienia.

W systemach napędowych elektrycznych integracja modułów zasilania SiC łączących się z technologią HPDmini packaging łączy się z 268% wzrostem gęstości mocy, 70% poprawą bieżącej mocy,i 40% poprawy efektywności rozpraszania ciepła.

Dodatkowo prędkości obrotowe silnika mogą osiągać nawet 24 000 obrotów na minutę, znacząco poprawiając reakcję na energię i efektywność energetyczną.Chiński rynek hybrydowy przeżywa obecnie falę ewolucji technologicznej skupioną wokół modelu SiC + Hybrid, przy czym wielu producentów samochodów i dostawców Tier 1 przyspiesza ich wdrożenie.

Jakie są perspektywy dla rynku hybrydowego?

Coraz większa liczba przypadków zastosowania wskazuje, że modernizacja technologiczna i rozwój na dużą skalę na chińskim rynku hybrydowym tworzą synergiczny impuls.Według najnowszych danych branżowych, w 2024 r. zainstalowana baza systemów DHT (Dedicated Hybrid Transmission) w chińskim sektorze pojazdów hybrydowych plug-in osiągnęła 3,713 mln sztuk, co stanowi wzrost o 94,61% w porównaniu z rokiem poprzednim.Systemy hybrydowe przyjmujące architekturę dwu silników stanowiły aż 97 proc.0,7%, co potwierdza, że wysoce wydajne, wysoce zintegrowane rozwiązania z dwoma silnikami stały się głównym wyborem.

Ten trend technologiczny jest ściśle związany z zainstalowaną liczbą podwójnych elektronicznych urządzeń sterujących, która osiągnęła 3,628 mln sztuk, co oznacza wzrost o 91,99% w stosunku do roku poprzedniego.Wykazuje to, że producenci samochodów poczynili znaczący postęp w dziedzinie podstawowych technologii, takich jak odłączanie mocy i wielofunkcyjna jazdaZgodnie z2025 Biała Księga dotycząca urządzeń i modułów z węglanu krzemowego (SiC) Badania przemysłowe, ponieważ koszt urządzeń SiC nadal spada, oczekuje się, że rynek hybrydowy wejdzie w drugą fazę wzrostu w latach 2025-2030.

Powszechnie stosowane produkty SiC w pojazdach elektrycznych

1.SiC MOSFET (tranzistor o działaniu pola półprzewodnikowego z tlenkiem metalu węglika krzemu)

Zastosowanie:

• Inwerter napędu głównego (inwerter trakcyjny): napędza silnik poprzez konwersję wysokonapięciowej mocy prądu stałego na trójfazową moc prądu przemiennego.

• Konwerter prądu stałego do prądu stałego: Stabilizuje napięcie akumulatora do zasilania systemów niskiego napięcia.

• Ładowarka pokładowa (OBC): przekształca energię z sieci prądu przemiennego w energię prądu stałego do ładowania baterii.

Zalety:

• Wysoka częstotliwość przełączania → Poprawa wydajności systemu

• Zmniejsza wielkość i masę całego systemu

• Obniża wymagania w zakresie zarządzania cieplnym

2.SiC SBD (dioda barierowa węglowodorku krzemowego Schottky)

Zastosowanie:

• Szeroko stosowane w pokładowych ładownikach (OBC) i konwerterach DC-DC

• Funkcje jako naprawca w celu poprawy wydajności i zmniejszenia strat odwrotnego odzysku

Zalety:

• Zero odwrotnego czasu odzyskiwania → Nadaje się do przełączania wysokiej częstotliwości

• Doskonała stabilność termiczna

3.Moduły zasilania SiC

Zastosowanie:

• Integruje wiele komponentów SiC (np. MOSFET + SBD) w kompaktowy moduł

• Używane w systemach napędowych elektrycznych, sterownikach silników i systemach wysokiego napięcia

Zalety:

• Kompaktna konstrukcja odpowiednia do dużej gęstości mocy

• Optymalizowane zarządzanie cieplne i działania przeciwdziałające EMI

Substraty z węglanu krzemu o średnicy 6 i 8 cali i płytki epitaksyalne: kręgosłup urządzeń zasilania nowej generacji

Streszczenie SiC jako materiału

Karbid krzemowy jest szerokopasmowym półprzewodnikiem o pasmowej przerwie 3,26 eV (dla 4H-SiC), w porównaniu z 1,12 eV dla krzemu.

• Wysokie krytyczne pole elektryczne (~ 10x wyższe niż w krzemu)

• Wysoka przewodność cieplna (~ 3x wyższa niż w przypadku krzemu)

• Wysokie napięcie awaryjne

• Wysoka prędkość nasycenia elektronami

Te właściwości sprawiają, że SiC jest szczególnie odpowiedni do zastosowań o wysokiej mocy, wysokiej częstotliwości i wysokiej temperaturze.SiC może działać przy wyższych napięciach i temperaturach przy jednoczesnym zmniejszeniu strat energii, co ma kluczowe znaczenie dla efektywności konwersji mocy.

Substraty SiC: podstawa

Struktura kryształowa i politypy

SiC występuje w wielu politypach, ale 4H-SiC jest preferowanym materiałem do elektroniki mocy ze względu na jego wyższą mobilność elektronów i szeroki odstęp pasmowy.Substrat to zazwyczaj płytka monokrystalowa pocięta z dużej kule SiC uprawianej metodami fizycznego transportu pary (PVT).

Produkcja substratów SiC

Proces produkcji obejmuje:

1. Kryształowy wzrostWykorzystując PVT lub zmodyfikowane metody Lely, proszek SiC o wysokiej czystości jest sublimowany i rekrystalizowany na kryształ nasion w wysokiej temperaturze (~ 2000 °C) i niskim ciśnieniu.

2. Cięcie płytekWyrosła kula jest dokładnie pocięta na płytki (2", 4", 6" lub 8").

3. Oszczędzenie i polerowanie¢ Wafle są mielone, łukowane i polerowane, aby uzyskać ultrapłaskie powierzchnie z minimalnymi wadami.

4. Inspekcja– Substrates are inspected for dislocations, micropipes, basal plane dislocations (BPDs), and other crystalline defects.

Kluczowe parametry

• Średnica:2", 4", 6" i pojawiające się 8" (200 mm)

• kąt zewnętrzny osi:4° typowe dla 4H-SiC w celu poprawy wzrostu epitaksy

• Wykończenie powierzchni:CMP polerowane (epiready)

• Odporność:Przewodzący lub półizolujący, w zależności od dopingu (typ N, typ P lub wewnętrzny)

Płytki SiC Epitaxial: umożliwiające projektowanie urządzenia

Czym jest płytka epitaksyalna?

/ - Co?płytka epitaksjalnaSkłada się z cienkiej, dopingowanej warstwy SiC uprawianej na wypolerowanym podłożu SiC. Warstwa epitaksyalna jest zaprojektowana z określonymi profiliami elektrycznymi i grubościami, aby spełniać dokładne wymagania urządzeń zasilania.

Techniki wzrostu epitaksjalnego

Najczęstszą techniką jestDepozycja par chemicznych (CVD)Umożliwia precyzyjną kontrolę:

• Gęstość warstwy(zwykle od kilku do kilkudziesięciu mikrometrów)

• Stężenie dopingu(od 1015 do 1019 cm−3)

• Jednorodnośćna dużych obszarach płytek

Gazy takie jak silan (SiH4) i propan (C3H8) są stosowane jako prekursory, wraz z azotem do dopingu typu n lub aluminium do dopingu typu p.

Projektowanie zorientowane na zastosowanie

• MOSFETy:Wymaganie nisko-dopingowanych warstw dryfowych (515 μm) dla wysokiego napięcia blokującego

• SBD:Wymaganie płytkich warstw epitaksjalnych z kontrolowanym dopingiem dla niskiego spadku napięcia do przodu

• JFET/IGBT:Zindywidualizowane struktury warstw dla specyficznego zachowania rezystancji i przełączania

Zalety substratów SiC i epilayerów

Powyższe zalety bezpośrednio przyczyniają się do zmniejszenia wielkości, masy i kosztów systemów konwersji mocy w pojazdach elektrycznych, ładowarkach, falownikach słonecznych i napędów przemysłowych.

Wyzwania i trendy w branży

Wyzwania

• Kontrola wad:Zwichnięcia płaszczyzny podstawnej (BPD), mikroczołgi i usterki układania wpływają na wydajność urządzenia.

• Koszt płytki:Substraty SiC są znacznie droższe niż Si, ze względu na czas wzrostu, wydajność i złożoność.

• Skalowalność:6-calowe płytki są powszechne, ale produkcja 8-calowej płytki pozostaje w fazie badań i rozwoju oraz fazie pilotażowej.

Trendy

• Migracja do 8-calowych płytekaby zmniejszyć koszty za chip

• Poprawa jakości podłożapoprzez techniki redukcji wad

• Integracja pionowaprzez producentów w celu kontroli całego łańcucha wartości od podłoża do urządzenia opakowanego

• Szybki wzrost popytunapędzane przez rynki motoryzacyjne (EV) i energii odnawialnej

Wniosek

Substraty z węglem krzemowym i płytki epitaksyalne stanowią rdzeń nowej generacji elektroniki mocy.aplikacje o wysokiej niezawodnościW miarę jak świat przechodzi w kierunku elektryfikacji i neutralności węglowej, popyt na płytki SiC będzie nadal rosnąć, napędzając innowacje i rozbudowę mocy w całej branży.

Niezależnie od tego, czy jesteś producentem urządzeń półprzewodnikowych, twórcą pojazdów elektrycznych, czy integratorem systemów zasilania,Zrozumienie i wybór odpowiednich substratów SiC i epilayerów jest krytycznym krokiem w kierunku osiągnięcia wydajności i sukcesu komercyjnego.