电动汽车高压环境中的半导体材料：碳化硅 - 可再生能源管理展览会

碳化硅是一种化合物，作为当今电动汽车高压环境中的半导体材料，具有众多优点。与传统硅相比，碳化硅可以减少电压和电流损耗，同时提高热效率——所有这些都有助于减小电动汽车中重要电力电子元件的尺寸和重量。

随着电动汽车架构从400 伏升至 800 伏及更高电压以实现直流快速充电并改善热管理，这些特性变得越来越重要。

缩小高压差距

碳化硅具有较高性能的原因是其宽带隙。带隙是电气和电子设备中使用的材料的一个重要特性，是指电子从原子的价带移动到导带所需的能量。带隙决定了材料是导体、绝缘体还是半导体。

导体具有重叠的带隙，这意味着电子能够自由地从价带移动到导带。绝缘体具有非常宽的带隙，因此电子需要大量的能量才能从价带跃迁到导带。半导体的带隙介于绝缘体和导体之间。

将带隙视为高速公路上最慢交通车道和最快车道之间的车道数量。差距越大，车辆驶入快车道所需的能量就越多；同样，在具有宽带隙的材料中，电子从价带移动到导带需要更多的能量。

具有宽带隙的材料需要更多的能量才能导电。

在高压应用中，需要更宽的带隙，因为半导体必须保持一定的电阻以充当导体和绝缘体之间的中间体。较大的距离允许设备在更高的电压、温度和频率下运行。

碳化硅的带隙大约是硅的三倍，使其能够处理高达 10 倍的电压，非常适合车辆推进等应用。

高压应用中的热管理

对于高压应用，需要克服的最重要的挑战之一是热管理。标准硅半导体在室温下不会传导电流，除非施加大量电荷。然而，在较高能态下，例如在高温环境下，电子跃迁的机会更大。

与硅的 175°C 极限相比，碳化硅的工作温度范围高达 300°C，有潜力减少对主动冷却系统的依赖，主动冷却系统会增加电动汽车的重量、成本和复杂性。

转向碳化硅

远离硅的过渡并非没有阻力。硅的生产成本较低，且产能限制较少。碳化硅在自然界中非常稀有，必须合成。它是现存最坚硬的物质之一，这意味着需要金刚石刀片来切割它。虽然碳化硅自 20 世纪 80 年代以来就已用于工业制造，但汽车行业最近才开始使用它，并且需要提高制造过程的效率，以满足不断增长的需求。

尽管存在这些挑战，其他行业仍然通过采用碳化硅实现了成本效益。例如，在太阳能电池板应用中，利用碳化硅代替传统的硅逆变器，由于材料效率更高，可节省高达 10% 的成本。