“第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車


“第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車的圖1
截至 2 022 一季度 , 我國新能源汽車保有量已累計突破 1000萬輛,同時帶動了充電行業的快速發展。 數據顯示,今年1-3月,充電基礎設施增量為49.2萬臺。 其中公共充電基礎設施增量同比上漲96.5%,隨車配建充電設施增量同比上漲538.6%。 當前在直流快充領域,隨著技術的不斷發展,電動汽車的充電市場也將大幅縮短。 只需要10分鐘左右,就能充滿一臺容量為100kWh電動車的技術已經成熟,并在逐步落地過程中。
“第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車的圖2

隨著直流充電樁技術的快速迭代,如今已經有更進一步的快充技術推出,快充技術已經逐步走向成熟,并已經在逐步落地的過程中。目前最先進的快充技術功率已經可以達到600KW,在電動汽車電池支持600KW功率充電的情況下,只需要 5-10 分鐘就可以充滿一輛容量為 100KWh的電動汽車。

“第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車的圖3

在猛增的新能源汽車銷量背后,企業和用戶追求的依然是更加穩定的續航、更高效的補能基礎設施,以支撐新能源汽車不僅能跑得快,而且能跑的遠。

而在新能源汽車及直流充電樁技術快速發展的背后,是以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導體材料的應用在發揮巨大作用。

第三代半導體指的是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化物半導體(如氧化鋅ZnO)、III族氮化物(如氮化鋁AlN)、金剛石半導體等寬禁帶半導體材料。相較于第一代半導體材料(硅、鍺)與第二代半導體材料(砷化鎵、磷化銦),第三代半導體的內部結構穩定,具有許多非常優異的特性,如高擊穿電場、高熱導率、高溫穩定性、高功率、抗高壓、高電子飽和速率以及抗強輻射能力等優勢,能夠滿足5G通信、快充、新能源汽車主控電路等新興領域的需求。

第三代半導體材料已經在基站射頻、功放等通信領域嶄露頭角,2021年,隨著“十四五”規劃的提出,中國將加速推動第三代半導體新材料新技術產業化進程,受益于功率轉換的極大應用潛力,第三代半導體開始進入新一輪的增長周期。

其中,碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)是第三代半導體中發展最為成熟的兩個品類。碳化硅(SiC)具有工作溫度更高、開關和導通損耗更低的特性,適合太陽能逆變器、工業電源以及新能源汽車主控電路。

具體來說,碳化硅(SiC)可作為襯底主要應用在功率半導體與射頻半導體領域,而由導電型碳化硅襯底制成的功率半導體器件包括:結勢壘肖特基功率二極管(JBS)、PiN功率二極管和混合PiN肖特基二極管(MPS);金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、雙極型晶體管(BJT)、結型場效應晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和門極可關斷晶閘管(GTO)等,能夠應用于電子電氣領域中新能源汽車、光伏發電等方面。眾多新能源車企已經開始將SiC應用于其新能源汽車的主控電路中。

“第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車的圖4

碳化硅(SiC)在新能源汽車領域的應用及優勢有:

1.新能源汽車直流充電樁:減積減重;提高充電效率至少1%,達到96%以上的轉化效率;由于SiC功率器件對溫度依賴性較低,提高夏季高溫時段電能轉化效率;降低電能損耗,提升大型充電站的經濟效益;充電樁系統成本與硅基基本持平,性價比較高。

2.新能源汽車車載充電機(OBC):減積減重、提高效率、降低損耗。

3.新能源汽車電機驅動系統:利用SiC功率模塊體積比硅基模塊縮小1/3~2/3,減積減重;電力損耗減少47%,開關損耗85%,提升電力使用效率;開關頻率可達硅基IGBT10倍以上,提高開關頻率將顯著減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。減積減重;發熱量也只有硅器件的1/2,有非常優異的高溫穩定性,散熱處理更容易,散熱體積減小,可使得車輛冷卻系統的體積減少60%,甚至消除了二次液體的冷卻系統,減積減重;可實現逆變器與馬達一體化,減積減重。可綜合提高新能源汽車5%~10%左右的續航里程。

不過,由于第三代半導體仍是個新興技術,全球市場處于初期階段,歐美、日本等由于產業起步較早,發展較為成熟,近年來還不斷擴大產能,推動產業鏈協同,目前仍占據著產業主要話語權。總體而言,第三代半導體只在整個半導體產業中占據極小的一部分份額,國內外的差距不像硅基器件那樣明顯。只要加大投入,中國還是存在追上甚至趕超歐美的可能。

由北京國聯萬眾半導體科技有限公司成立國際第三代半導體眾創空間,并運營第三代半導體聯合創新創業孵化中心(以下簡稱“中心”),就始終聚焦第三代半導體技術和產業,圍繞以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)等寬禁帶化合物為代表的第三代半導體器件和模塊的技術應用,打造從裝備-材料-器件-模塊-應用的完整產業鏈,孵化領域包括節能照明、第五代移動通信(5G)、電動汽車、智能電網、軌道交通、新能源、智能制造、雷達探測、消費類電子等產業。

“第三代半導體”助力新能源汽車彎道超車的圖5

中心目前擁有4大公共技術服務平臺及7大服務功能。4大公共技術服務平臺分別為代爾夫特(中國)研究院公共研發平臺、第三代半導體光電子應用工業設計創新服務平臺、深紫外實驗室和可見光實驗室,可為科技型中小企業提供3D打印,激光打標機、小型鉆銑床、示波器等硬件條件,建立“創意設計-模擬仿真-產品開發-樣品制備-測試驗證”完整的服務。7大服務功能分別為:開放式辦公空間、創業大講堂、O2O成果轉化服務、專利運營服務、檢驗檢測認證服務、市場推廣服務、金融服務,為科技型中小企業提供技術轉移、檢驗檢測認證、創業孵化、知識產權、科技咨詢、科技金融、科學技術普及等專業科技服務和綜合科技服務,提升科技服務業對科技創新和產業發展的支撐能力。

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