第三代半导体，必不可少

2024-06-08 02:06

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自electropages，谢谢。

当今推动降低二氧化碳排放、节约能源和保护环境的关键基础之一是电动汽车 (EV) 的出现。驱动电动汽车的动力当然是电力，如果电动汽车要不负其生态超级英雄的美誉，它就需要尽可能少地消耗电网电力。要做到这一点，它需要尽可能高效地利用能源。它的宽带隙半导体 (WBG)，如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，使这成为可能。

但在我们深入了解 WBG的作用及其运作方式之前，让我们先简单了解一下两个汽车生态系统。

如果您认为电动汽车具有不公平的优势 - 您是对的！首先，电动机的效率明显高于汽油发动机。还有更深刻的东西。只要看看20 世纪 60 年代最强大的汽车引擎盖下，你就能真正看到车底的路面！如果你在现代燃气汽车上做同样的观察，你看不到地面，而是看到一排可怕的泵、管子、通风口等等——这是化学工程师的天堂，只专注于污染控制。

电动机不会像汽油发动机那样产生污染，因此不需要污染控制系统。所有碳氢化合物污染控制都在源头——发电厂进行。与数百万辆汽油驱动汽车不同，每辆汽车都支持一个复杂、耗能的自动污染控制系统，而只需要一个这样的系统，在发电厂本身，由人工专家和先进的自动化设备不断监控。最终结果是，一个极其有效的系统取代了数百万个效率较低的基于车辆的安排。

电动汽车的“油箱”——也就是它的电源储存器——是锂离子电池 (LiB)，它储存了大约 150 千瓦时的 800 伏直流电。问题是汽车中只有极少数的电能以 800 伏直流电运行。

主电机在 400 至 800 VAC 范围内的交流电压下运行。还有许多其他设备需要令人眼花缭乱的电压范围。这一转换过程是电动汽车运行的核心。WBG 的效率远高于传统硅 (Si) 半导体。

想象一下通过开关访问 LiB 的电压。当开关打开和关闭时，会产生脉动直流电。通过电气工程师熟知的路径，脉动直流电可以转换为各种交流或直流电压。关键在于开关的效率，以及设备处理热量的能力。

让我们来看看 GaN 和 SiC 与传统硅 (Si) 半导体相比的优势。

1、切换速度更快。

将直流电转换为另一种电压水平的直流电时，WGB 每秒会开启和关闭数千次，从而产生脉动直流电，切换速度越快，脉冲之间的距离就越近。将这些“脉冲”转换为干净、稳定的直流电的过程需要一个主要由电感器和电容器组成的“滤波器”。脉冲频率越高，滤波器元件就可以越小。这可以节省大量的重量和空间，将直流电转换为替代传统车辆汽油发动机的主“拖拉机发动机”所需的交流电时也可以获得类似的好处。

WGB 半导体的切换速度比硅器件快得多。

2、降低“导通”电阻。

功率半导体通常被称为开关，而理想的半导体（如理想的机电开关）必须呈现尽可能接近零的电阻。如果有任何电阻，电压交叉电阻会产生热量并浪费电力。半导体两端的电阻，即器件“源极”和“漏极”之间的电阻，称为RSD(ON)。

在这里，WGB 也完胜 Si 器件。

3、热量。

虽然 WGB 半导体比 Si 器件运行效率更高，但不可避免地存在一些效率低下的问题，从而产生热量。但 WBG 实际上可以承受更多的内部热量，并且仍能安全高效地运行。此外，WGB 的热导率更高，更容易将寄生热量从半导体中散发出去。

GaN和SiC的主要特性差异是什么？

有两个区别非常突出，对电动汽车设计师来说至关重要。基本上来说，SiC 可以处理更多功率，但 GaN 可以切换得更快。沙子在不断移动，但这张经典图表说明了一切。

然而，WGB 在一个方面是失败的，那就是成本，特别是对于 SiC 而言。

电动汽车的核心功能之一是传动系统逆变器，这是一种基于半导体的设备，可将锂离子电池的直流电压转换为为电动汽车主电机供电所需的不断变化的交流波形。对于功率更大的电动汽车，功率更大的 SiC 半导体是明显的技术选择。但正如我们将看到的，SiC 器件的高成本是一个主要障碍。

特斯拉的 SiC 问题

据 PSG Consultancy 报道，特斯拉是第一家将 SiC 技术应用于传动系统逆变器的电动汽车制造商。该技术针对的是特斯拉无处不在的 Model 3，是“SiC 行业大规模扩张的催化剂”。我们还可以补充一点，它的影响远远超出了交通运输行业。

随后，在 2023 年，特斯拉宣布计划将 SiC 使用量减少 75%，这引发了轰动。人们认为他们可能会采用成本更低的 GaN 器件，甚至可能恢复到上一代硅 IGBT。

通过观察特斯拉逆变器的假定内部结构，我们可以获得一些见解。

Model 3逆变器的每个支路均采用 8 个并联部署的 STMicroelectronics 650V SiC MOSFET 。总共有 48 个半导体。虽然价格昂贵，但与之前的传动系统逆变器相比，其效率有所提高，使 Model 3 能够行驶得更远，而无需增加 LiB 容量、尺寸或重量。

但该声明的真实内容可能并不像人们所看到的那样。

在逆变器底盘内更好地定位将允许 SiC 散发更多的热量，从而每个半导体都可以被推动得更远，从而无需在每条腿上安装八个半导体。

大量资金投入到 SiC 开发中。性能更强大的半导体意味着所需半导体数量更少。

最终过渡到 800V 系统。电压越高，电流和热量越少新车型可能会采用功率较低的电机，所需的 SiC 半导体相应较少。

然而，更便宜的 GaN 技术的快速发展可能在某些设计案例中使该技术取代 SiC。

适用于 400V 和 800V 电动汽车系统的氮化镓功率半导体

“尽管硅基 GaN 利用了现有的基础设施，并且通常限制在 650V，但 Qromis 衬底上 GaN 技术 (QST) 的出现允许使用更厚的外延层。这项创新使工作电压更高，可能高达 1,200V 或更高。” 这使得 GaN 半导体几乎可以用于为所有现有的电动汽车和即将面世的所有电动汽车供电。而且，最重要的是，SiC 器件的制造难度要大得多，这当然反映在其更高的成本上。

最重要的是，GaN 的开关速度甚至比 SiC还要快，更不用说传统硅了。这意味着更高的效率，以及更低的重量和空间要求。

出于这些原因以及其他原因，GaN 将与 SiC 展开竞争，尤其是对于价格较低、大众市场的电动汽车而言

挑战与机遇

大规模推广电动汽车的最大障碍是缺乏充电基础设施。汽油零售商看到了这一趋势，于是采取了合乎逻辑的举措，为驾车者提供充电服务，以赚取利润（当然！）。

从大多数指标来看，充电站到电动汽车车轮之间的路径效率现在也远远超过 90%。最后一个重大前沿是锂离子电池本身。美国、欧洲和东亚的科学家和工程师正在研究这些问题，其中最关键的是设备充电需要多长时间。

虽然电动汽车可能是推动 WGB 发展的最初催化剂，但其他技术领域不仅从中获益，而且还促进了发展。

宽带隙半导体开关速度更快，导通电阻更低，并且比上一代硅器件更能处理热量。它们可在整个电气和电子设备范围内找到 - 从微型医疗可穿戴设备到最大的电动汽车。

SiC 和 GaN 半导体之间的两主要区别是，SiC 可以处理更多功率，而 GaN 切换速度更快且更便宜。而且至关重要的是，GaN 更易于制造，因此对 OEM 来说成本更低。

GaN器件先前在处理功率和工作电压方面的限制正在逐渐克服，使其能够挑战SiC在高功率电动汽车应用领域的主导地位。

参考链接：

https://www.electropages.com/blog/2024/06/silicon-carbide-and-gallium-nitride-power-efficiency

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