Τα υβριδικά οχήματα εισέρχονται στην εποχή της SiC

Η υβριδική τεχνολογία της Κίνας αξιοποιεί το καρβίδιο του πυριτίου για να οδηγήσει μια επανάσταση στην αποδοτικότητα

Πρόσφατα, η Wuling Motors ανακοίνωσε επίσημα την υιοθέτηση της τεχνολογίας του καρβιδίου του πυριτίου (SiC) στα υβριδικά της οχήματα.Η Chery Auto παρουσίασε επίσης νέες εξελίξεις που σχετίζονται με τα υβριδικά συστήματα με βάση το SiCΟι κορυφαίες κινεζικές αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η Geely, η Changan, η BAIC και η Hongqi έχουν επίσης κάνει στρατηγικές επενδύσεις στον τομέα των υβριδικών υλικών από καρβίδιο του πυριτίου.Η εφαρμογή της τεχνολογίας SiC έχει γίνει ένα σημαντικό σημείο αναφοράς.

Σε ηλεκτρικά συστήματα κίνησης, η ενσωμάτωση των μονάδων ισχύος SiC σε συνδυασμό με την τεχνολογία συσκευασίας HPDmini οδήγησε σε αύξηση της πυκνότητας ισχύος κατά 268%, βελτίωση της ισχύος ισχύος κατά 70%,και 40% βελτίωση της αποδοτικότητας διάσπασης θερμότητας.

Επιπλέον, οι ταχύτητες του κινητήρα μπορούν τώρα να φθάσουν έως και 24.000 στροφές ανά λεπτό, βελτιώνοντας σημαντικά την απόκριση ισχύος και την ενεργειακή απόδοση.Η κινεζική αγορά υβριδίων βιώνει τώρα ένα κύμα τεχνολογικής εξέλιξης που επικεντρώνεται στο μοντέλο “SiC + Hybrid”, με πολλούς κατασκευαστές αυτοκινήτων και προμηθευτές κατηγορίας 1 να επιταχύνουν την ανάπτυξη τους.

Ποιες είναι οι προοπτικές για την υβριδική αγορά;

Ο αυξανόμενος αριθμός περιπτώσεων εφαρμογής δείχνει ότι οι τεχνολογικές αναβαθμίσεις και η μεγάλης κλίμακας επέκταση στην κινεζική αγορά υβριδίων δημιουργούν μια δυναμική συνεργίας.Σύμφωνα με τα τελευταία στοιχεία του κλάδουΤο 2024, η εγκατεστημένη βάση των συστημάτων DHT (Dedicated Hybrid Transmission) στον τομέα των υβριδικών οχημάτων plug-in της Κίνας έφτασε τις 3,713 εκατ. μονάδες, αυξάνοντας κατά 94,61% σε ετήσια βάση.Τα υβριδικά συστήματα που υιοθετούν μια αρχιτεκτονική διπλού κινητήρα αντιπροσώπευαν έως και 970,7%, γεγονός που επιβεβαιώνει ότι οι λύσεις υψηλής απόδοσης και υψηλής ολοκλήρωσης διπλού κινητήρα έχουν γίνει η βασική επιλογή.

Η τεχνολογική αυτή τάση συνδέεται στενά με τον εγκατεστημένο όγκο των διπλών ηλεκτρονικών μονάδων ελέγχου, ο οποίος ανήλθε σε 3,628 εκατ. μονάδες, σημειώνοντας αύξηση κατά 91,99% σε ετήσια βάση.Αποδεικνύει ότι οι κατασκευαστές αυτοκινήτων έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο σε βασικές τεχνολογίες όπως η αποσύνδεση ισχύος και η πολλαπλή οδήγησηΣύμφωνα με το2025 Λευκή Βίβλος για τις συσκευές και τα ενότητες του καρβιδίου του πυριτίου (SiC), καθώς το κόστος των συσκευών SiC συνεχίζει να μειώνεται, η υβριδική αγορά αναμένεται να εισέλθει σε μια δεύτερη φάση ανάπτυξης μεταξύ 2025 και 2030.

Συνήθως χρησιμοποιούμενα προϊόντα SiC σε ηλεκτρικά οχήματα

1.SiC MOSFET (Τρανζίστορα πεδίου-αποτελέσματος οξειδίου του αργύρου του πυριτίου-μεταλλικού ημιαγωγού)

Εφαρμογές:

• Μετατροπέας κύριας κίνησης (μετατροπέας έλξης): Οδηγεί τον κινητήρα με τη μετατροπή ισχύος συνεχούς ρεύματος υψηλής τάσης σε ισχύ ρεύματος ρεύματος ρεύματος ρευστότητας τριών φάσεων.

• Μετατροπέας DC-DC: Σταθεροποιεί την τάση της μπαταρίας για να τροφοδοτεί συστήματα χαμηλής τάσης.

• Ενσωματωμένος φορτιστής (OBC): Μετατρέπει την ισχύ του ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος σε ισχύ συνεχούς ρεύματος για την φόρτιση μπαταρίας.

Πλεονεκτήματα

• Υψηλή συχνότητα εναλλαγής → Βελτιώνει την αποδοτικότητα του συστήματος

• Μειώνει το συνολικό μέγεθος και το βάρος του συστήματος

• Μειώνει τις απαιτήσεις θερμικής διαχείρισης

2.SiC SBD (Διοδίος φραγμού Schottky καρβιδίου πυριτίου)

Εφαρμογές:

• Χρησιμοποιείται ευρέως σε ενσωματωμένους φορτιστές (OBC) και μετατροπείς DC-DC

• Λειτουργίες ως διορθωτής για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και τη μείωση των απωλειών αντιστροφής της ανάκτησης

Πλεονεκτήματα

• Μηδενικός χρόνος ανάκαμψης → Κατάλληλος για μετατόπιση υψηλής συχνότητας

• Εξαιρετική θερμική σταθερότητα

3.Μονούλες ισχύος SiC

Εφαρμογές:

• Ενσωματώνει πολλαπλά συστατικά SiC (π.χ. MOSFETs + SBDs) σε μια συμπαγή μονάδα

• Χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά συστήματα κίνησης, ελεγκτές κινητήρων και συστήματα υψηλής τάσης

Πλεονεκτήματα

• Σύνθετο σχέδιο κατάλληλο για υψηλή πυκνότητα ισχύος

• Βελτιωμένη θερμική διαχείριση και απόδοση καταστολής EMI

Υποστρώματα καρβιδίου πυριτίου 6 και 8 ιντσών και επιταξιακές πλάκες: Η ραχοκοκαλιά των συσκευών ηλεκτρικής ενέργειας επόμενης γενιάς

Σύνοψη του SiC ως υλικού

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένα ημιαγωγός με ευρύ εύρος ζώνης με εύρος ζώνης 3,26 eV (για το 4H-SiC), σε σύγκριση με 1,12 eV για το πυρίτιο.

• Υψηλό κρίσιμο ηλεκτρικό πεδίο (~ 10 φορές υψηλότερο από το πυρίτιο)

• Υψηλή θερμική αγωγιμότητα (~ 3 φορές υψηλότερη από του πυριτίου)

• Υψηλή τάση διακοπής

• Υψηλή ταχύτητα κορεσμού ηλεκτρονίων

Αυτές οι ιδιότητες κάνουν το SiC ιδιαίτερα κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής ισχύος, υψηλής συχνότητας και υψηλών θερμοκρασιών.Το SiC μπορεί να λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις και θερμοκρασίες, μειώνοντας παράλληλα τις απώλειες ενέργειας, η οποία είναι κρίσιμη για την αποδοτικότητα μετατροπής ισχύος.

Υποστρώματα SiC: Η βάση

Κρυστάλλινη δομή και πολυτύποι

Το SiC υπάρχει σε πολλούς πολυτύπους, αλλά το 4H-SiC είναι το προτιμώμενο υλικό για την ηλεκτρονική ισχύ λόγω της υψηλότερης κινητικότητας των ηλεκτρονίων και του ευρέος εύρους ζώνης.Το υπόστρωμα είναι συνήθως μια μονοκρυσταλλική πλάκα που κόβεται από μια χύδην σφαίρα SiC που καλλιεργείται με μεθόδους φυσικής μεταφοράς ατμών (PVT).

Παραγωγή υποστρωμάτων SiC

Η διαδικασία παραγωγής περιλαμβάνει:

1. Κρυστάλλινη ΑνάπτυξηΧρησιμοποιώντας PVT ή τροποποιημένες μεθόδους Lely, η σκόνη SiC υψηλής καθαρότητας υποβαθμίζεται και ανακρυσταλλώνεται σε κρυστάλλιο σπόρου υπό υψηλή θερμοκρασία (~ 2000 °C) και χαμηλή πίεση.

2. Τρίψιμο κυψελώνΗ καλλιεργημένη σφαίρα κόβεται με ακρίβεια σε φέτες (2", 4", 6", ή 8").

3. Επένδυση και γυαλισμόςΟι βάφλες αλέθονται, γλείφονται και γυαλίζονται για να αποκτήσουν εξαιρετικά επίπεδες επιφάνειες με ελάχιστα ελαττώματα.

4. ΕπιθεώρησηΤα υποστρώματα ελέγχονται για εκτομές, μικροσωλήνες, εκτομές βασικού επιπέδου (BPD) και άλλα κρυσταλλικά ελαττώματα.

Βασικές παραμέτρους

• Διάμετρος:2", 4", 6", και αναδυόμενες 8" (200 mm)

• Γωνία εκτός άξονα:4° τυπικό για το 4H-SiC για τη βελτίωση της επιταξιακής ανάπτυξης

• Επιφάνεια:Χρησιμοποιείται για την επεξεργασία των υλικών.

• Αντίσταση:Διοχετικό ή ημιμονωτικό, ανάλογα με το ντόπινγκ (τύπου N, τύπου P ή εγγενές)

Επταξιακές πλάκες SiC: Επιτρέποντας το σχεδιασμό συσκευής

Τι Είναι μια Επιταξιακή Κουβέρτα;

ΈναΕπιταξιακή πλάκαΑποτελείται από ένα λεπτό στρώμα SiC που καλλιεργείται σε γυαλισμένο υπόστρωμα SiC. Το επιταξιακό στρώμα έχει σχεδιαστεί με ειδικά ηλεκτρικά προφίλ και δοντικά για να ανταποκρίνεται στις ακριβείς απαιτήσεις των συσκευών ισχύος.

Τεχνικές επιταξιακής ανάπτυξης

Η πιο κοινή τεχνική είναιΧημική Αποσύνθεση Ατμών (CVD)Επιτρέπει ακριβή έλεγχο:

• Δυνατότητα της στρώσης(συνήθως από λίγα έως δεκάδες μικρομέτρα)

• Συγκέντρωση ντόπινγκ(από 1015 έως 1019 cm−3)

• Ομοιομορφίασε μεγάλες περιοχές πλακιδίων

Αέρια όπως το σιλάνιο (SiH4) και το προπάνιο (C3H8) χρησιμοποιούνται ως πρόδρομα, μαζί με το άζωτο για ντόπινγκ n-τύπου ή το αλουμίνιο για ντόπινγκ p-τύπου.

Σχεδιασμός προσανατολισμένος στην εφαρμογή

• MOSFETs:Απαιτούνται χαμηλά ντοπιζόμενα στρώματα παρασυρόμενης ενέργειας (515 μm) για υψηλή τάση αποκλεισμού

• ΔΠΔ:Απαιτούνται ρηχότερα επιταξιακά στρώματα με ελεγχόμενη ντόπινγκ για χαμηλή πτώση τάσης προς τα εμπρός

• JFET/IGBT:Προσαρμοσμένες δομές στρωμάτων για συγκεκριμένη συμπεριφορά αντίστασης και εναλλαγής

Τα πλεονεκτήματα των υπόστρωτων SiC και των επιπερατών

Τα πλεονεκτήματα αυτά συμβάλλουν άμεσα στη μείωση του μεγέθους, του βάρους και του κόστους των συστημάτων μετατροπής ισχύος σε ηλεκτρικά οχήματα, φορτιστές, ηλιακούς μετατροπείς και βιομηχανικές μονάδες κίνησης.

Προκλήσεις και τάσεις της βιομηχανίας

Προκλήσεις

• Έλεγχος ελαττωμάτων:Οι εκτοπίσεις του βασικού επιπέδου (BPDs), οι μικροσωλήνες και τα λάθη στοίβωσης επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής.

• Το κόστος των κυψελών:Τα υποστρώματα SiC είναι σημαντικά πιο ακριβά από το Si, λόγω του χρόνου ανάπτυξης, της απόδοσης και της πολυπλοκότητας.

• Δυνατότητα κλιμάκωσης:Τα πλακάκια 6 ιντσών είναι κυρίαρχα, αλλά η παραγωγή πλακάκων 8 ιντσών παραμένει στα στάδια Ε&Α και πιλοτικής παραγωγής.

Τάσεις

• Μετανάστευση σε πλακίδια 8 ιντσώνγια να μειωθεί το κόστος ανά τσιπ

• Βελτιωμένη ποιότητα υποστρώματοςμέσω τεχνικών μείωσης ελαττωμάτων

• Ψηλή ολοκλήρωσηαπό τους κατασκευαστές για τον έλεγχο ολόκληρης της αλυσίδας αξίας από το υπόστρωμα έως την συσκευασμένη συσκευή

• Γρήγορη αύξηση της ζήτησηςπου οδηγούνται από τις αγορές αυτοκινήτων (EV) και ανανεώσιμων πηγών ενέργειας

Συμπεράσματα

Τα υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου και οι επιταξιακές πλάκες αποτελούν τον πυρήνα της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος.εφαρμογές υψηλής αξιοπιστίαςΚαθώς ο κόσμος μεταβαίνει προς την ηλεκτροποίηση και την ουδετερότητα άνθρακα, η ζήτηση για πλακίδια SiC θα συνεχίσει να αυξάνεται, οδηγώντας στην καινοτομία και την επέκταση της ικανότητας σε όλη τη βιομηχανία.

Είτε είστε κατασκευαστής συσκευών ημιαγωγών, προγραμματιστής ηλεκτρικών οχημάτων, ή ενσωματωτής συστημάτων ενέργειας,Η κατανόηση και η επιλογή των σωστών υποστρωμάτων SiC και των επιφανειακών στρωμάτων είναι ένα κρίσιμο βήμα για την επίτευξη επιδόσεων και εμπορικής επιτυχίας.