В 1824 году шведский учёный Берцелиус синтезировал совершенно новый материал. Это был чёрный порошок под названием карбид кремния. Он выглядел ничем не примечательным, как если бы это был пепел, который можно было увидеть повсюду. Возможно, никто не мог подумать об этом, эта небольшая группа из черных частиц, похожих на примеси, вырастут на нем великолепные цветы почти 200 лет спустя, помогая человечеству преодолеть узкое место полупроводников.
На заре человеческой полупроводниковой промышленности технология на основе кремниевых (Si) чипов развивалась с необычайной скоростью, достигая идеального баланса с точки зрения стоимости и производительности. Естественно, карбиду кремния (SiC) не уделялось слишком много внимания. До 1990-х годов в устройствах силовой электроники на основе Si возникали узкие места в производительности, что еще раз стимулировало исследовательский интерес соответствующих учреждений к материалам SiC.
По сравнению с традиционными материалами Si, SiC имеет следующие шесть основных преимуществ:
1 Более высокое номинальное напряжение, будь то униполярное или биполярное устройство, номинальное напряжение устройств на основе SiC намного выше, чем у устройств на основе Si того же типа;
2. Более низкое сопротивление включения.При уровне напряжения 1 кВ сопротивление включения униполярных устройств на основе SiC составляет 1/60 от сопротивления устройств на основе Si;
3. Более высокая частота переключения.Когда максимальная температура перехода установлена на уровне 175°C и 10 кВ, устройство на основе SiC все еще может достигать максимальной частоты переключения 33 кГц;
4 Более низкое тепловое сопротивление, теплопроводность на основе SiC в 3 раза выше, чем у Si, что облегчает внутреннее рассеивание тепла, снижает риск выхода устройства из строя из-за перегрева и повышает надежность;
5 Теоретически предельная рабочая температура перехода устройств на основе SiC может достигать 600°C, что значительно выше, чем у устройств на основе Si, но ограничивается упаковочными материалами;
6. Он обладает чрезвычайно высокой радиационной стойкостью. Чрезмерное излучение не приведет к ухудшению производительности устройств SiC. Он широко используется в авиационной области.
Преимущества карбида кремния
SiC имеет огромный спрос в области транспортных средств на новых источниках энергии.
В последние годы темпы роста продаж автомобилей на новых источниках энергии были ужасающими. около 8%. В моей стране продажи автомобилей на новых источниках энергии в 2021 году составят примерно 3,52 миллиона, что составит почти половину мировых продаж. рост в 1,2 раза.При этом автомобили на новых источниках энергии сохраняются.Продажи превысили 10 миллионов автомобилей. В обозримом будущем рост новых энергетических транспортных средств будет неудержим. Согласно ожиданиям рынка: мировой рынок транспортных средств на новых источниках энергии продолжит поддерживать высокие темпы роста на уровне 15-35% в ближайшие 5-10 лет. Ожидается, что к 2025 году китайский рынок превысит 15 миллионов автомобилей, сохраняя среднегодовой темп роста примерно на 35%. Областью с наибольшим спросом на SiC являются именно новые энергетические автомобили.
По данным Strategy Analytics, среднее использование полупроводников в транспортных средствах с традиционным топливом составляет 338 долларов США, в то время как на силовые полупроводники приходится только 21%, что составляет 71 доллар США. 76% новых полупроводников, добавленных в гибридные автомобили, составляют силовые полупроводники, при этом средний рост на одно транспортное средство достигает 283 долларов США. в гибридных автомобилях.
Карбид кремния обладает более высокой теплопроводностью и электронными свойствами, поэтому химические свойства карбида кремния делают его особенно эффективным при использовании высокочастотных, мощных и высокотемпературных нагрузок. Для транспортных средств на новых источниках энергии системы электропривода обычно должны быть меньше по размеру, легче по весу и способны выдерживать суровые условия работы.SiC имеет высокое соотношение размеров, высокую термостойкость и радиационную стойкость, что может помочь системе уменьшить размер и снизить затраты.Вес повышает надежность системы, что является ключевым фактором повышения эффективности электромобилей. Мало того, что для автомобильных инверторов SiC в настоящее время также является оптимальным решением.Возьмем в качестве примера известного производителя транспортных средств на новой энергии Tesla.В 2018 году Tesla использовала его в инверторе главного привода модели 3.SiC MOSFET После замены Si IGBT на устройства SiC эффективность новых энергетических инверторов транспортных средств может быть значительно повышена, потребность в емкости аккумулятора может быть снижена при том же сроке службы батареи, а объем и вес системы охлаждения могут быть оптимизированы, что эффективно снижает стоимость. самого устройства SiC.Увеличенные затраты.
Согласно статистике и прогнозам McKinsey, потребность в зарядке транспортных средств на новых источниках энергии в Китае, США и Европе в 2020 году составит примерно 18 миллиардов киловатт-часов. Ожидается, что к 2030 году с появлением новых энергетических транспортных средств потребность в зарядке новых энергетических транспортных средств достигнет 271 миллиарда киловатт-часов.
Однако, судя по текущей ситуации, темпы роста зарядных станций гораздо медленнее, чем у автомобилей на новой энергетике. С точки зрения увеличения количества транспортных средств на новых источниках энергии и общественных зарядных станций, соотношение транспортных средств к сваям составит 4,7: 1 в 2020 году, а соотношение транспортных средств к сваям превысит 10: 1 в течение двух лет подряд, с 2021 по 2022. Это привело к нынешней ситуации «больше машин и меньше свай». Автор считает, что загрузочные сваи все чаще сооружаются в коммерческих городских районах с удобным транспортным сообщением, но с дорогими локациями, и в то же время им приходится сталкиваться с тяжелыми условиями работы. Таким образом, направление проектирования зарядных свай заключается в достижении высокой плотности, высокого напряжения, высокой мощности и высокой надежности. Соответствующие характеристики SiC, являющегося основным компонентом зарядных устройств для новых энергетических транспортных средств, делают его неизбежным материалом. Чэнь Дунпо, заместитель генерального директора пекинской компании Sanan Group, считает, что SiC имеет отличные характеристики и блестящее будущее благодаря своим преимуществам устойчивости к высокому давлению, устойчивости к высоким температурам и более высокой частоте. Хотя блоки быстрой зарядки SiC все еще находятся в зачаточном состоянии, учитывая значительный рост спроса в будущем, SiC определенно будет широко использоваться.
Перспективы применения материалов SiC можно увидеть не только в области транспортных средств на новых источниках энергии, но и в источниках питания связи для базовых станций 5G, источниках питания серверов в больших центрах обработки данных или промышленном Интернете, а также в силовых электронных устройствах в междугородних высокоскоростных железных дорогах и междугородний железнодорожный транспорт. По мере того, как перспективы рынка SiC постепенно становятся более ясными, все больше и больше производителей начинают инвестировать в исследования, разработки и производство материалов SiC.
