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新能源车快速发展,碳化硅迎来发展良机

新能源车快速发展,碳化硅迎来发展良机

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半导体经过几十年的发展,目前已经形成了三代半导体材料。第一代半导体材料主要是指硅、锗元素等单质半导体材料;第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料,如砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb);三元化合物半导体,如 GaAsAl、GaAsP;第三代半导体材料主要以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料,其中最为重要的就是 SiC和GaN。

和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有宽的禁带宽度,高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。为了追求更小的器件体积以及更好的性能,功率器件厂商逐渐推进下一代技术方案的SiC和GaN基MOSFETs。SiC基MOSFETs相较于硅基MOSFETs拥有高度稳定的晶体结构,工作温度可达600℃;SiC的击穿场强是硅的十倍多,因此SiC基MOSFETs阻断电压更高;SiC的导通损耗比硅器件小很多,而且随温度变化很小;SiC的热导系数几乎是Si材料的2.5倍, 饱和电子漂移率是Si的2倍,所以SiC器件能在更高的频率下工作。

就电动汽车逆变器而言,功率器件是核心能量转换单元,其损耗包含两部分,导通损耗Econ和开关损耗Esw。碳化硅在电流比较小也就是轻载的工况下导通损耗优势是比较明显的,再结合轻载工况开关损耗占比更大(碳化硅开关损耗也低),这也印证了为什么碳化硅更适合城市工况。根据海外机构试验数据,按照WLTC工况(更接近实际城市工况)续航能力的提升,基于750VIGBT模块及1200V碳化硅模块仿真显示,400V母线电压下,由750V IGBT模块替换为1200V碳化硅模块,整车能耗降低6.9%;如果电压提升至800V,整车能耗将进一步降低7.6%。

特斯拉Model3及比亚迪汉已采用SiC模块,SiC模块优势明显,随着成本的进一步下降,未来将越来越多的电动汽车采用SiC模块,车用将是SiC模块最大的增长动力。在车用方面,SiC MOSFET在性能方面明显占优,可以降低损耗,减小模块体积重量,IGBT在可靠性鲁棒性方面占优。碳化硅器件应用于车载充电系统和电源转换系统,能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率。

彭博新能源财经(BloombergNEF)预测,2025年全球新能源汽车有望达到1100万辆,中国占50%,2030年有望达到2800万辆,2040年将达到5600万辆。届时,电动汽车销量将占到全部新车销量的57%。

根据 Infineon数据,2020年,48V轻混汽车需要增加90美元功率半导体,电动汽车或者混动需要增加330美元功率半导体。如果要采用碳化硅器件,单车价值量则更高。

第三代半导体器件在充电桩领域的渗透快于整车市场,主要应用是直流充电。2019年,新能源汽车细分市场的SiC器件应用规模(含整车和充电设施)约为4.2亿元,较上年增长了70%,未来五年预计将保持超过30%的年均增长。2019年,第三代半导体电力电子器件在工业及商业电源的市场规模接近9亿元,增速超过30%。受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动,IHS预测到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元。

我国作为全球最大的新能源汽车市场,随着特斯拉等品牌开始大量推进SiC解决方案,国内的厂商也快速跟进,以比亚迪为代表的整车厂商开始全方位布局,推动第三代半导体器件的在汽车领域加速。受益于新能源汽车的快速增长,第三代半导体特别是碳化硅迎来了发展的良机。

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