ניתוח סיכויי היישום של מכשירי קרביד סיליקון בתחום כלי רכב חשמליים

עם התעשייה הפורחת, צריכת האנרגיה העולמית גדלה משנה לשנה. בסין, זיהום רכב מנועי הפך למקור חשוב לזיהום אוויר, גורם חשוב לזיהום אפר וזיהום פוטוכימי, והדחיפות של מניעת ובקרת זיהום רכב נעשתה בולטת יותר ויותר. חיסכון באנרגיה והפחתת פליטות הפכו להיות נושא מרכזי בהתפתחות ענף הרכב. לכן פיתוח נמרץ של רכבי אנרגיה חדשים הוא אמצעי אסטרטגי להשגת שימור אנרגיה והפחתת פליטות ולקידום פיתוח בר-קיימא של תעשיית הרכב בסין.

נכון לעכשיו, חלקי הכונן החשמלי של EV (רכב חשמלי טהור) ו- HEV (רכב חשמלי היברידי) מורכבים בעיקר ממכשירי חשמל מבוססי סיליקון (Si). עם התפתחות כלי רכב חשמליים הועמדו דרישות גבוהות יותר למזעור והפחתת משקל של כוננים חשמליים. עם זאת, בשל מגבלות חומריות, מכשירי כוח מבוססי Si המסורתיים התקרבו ואף הגיעו לגבולות המהותיים של חומריהם מבחינות רבות. לפיכך, ליצרני רכב שונים יש תקוות גדולות לדור חדש של מכשירי כוח סיליקון קרביד (SiC).

מוליכי מוליכים למחצה מהדור השלישי, המיוצגים על ידי סיליקון קרביד, הם בעלי יתרונות משמעותיים על פני חומרים מוליכים למחצה מסורתיים כמו סיליקון מונוקריסטלי וגליניום ארסניד, כמו מוליכות תרמית גבוהה, חוזק שדה פירוק גבוה, קצב סחף גבוה של אלקטרונים רוויה ואנרגיה מליטה גבוהה. יציבות כימית גבוהה ועמידות בפני קרינה חזקה קבעו כי לסיליקון קרביד יש מיקום בלתי ניתן להחלפה בתחומים רבים. בעיקר כדלקמן:

(1) ל- SiC מוליכות תרמית גבוהה (עד 4.9 W / cm • K), שהיא פי 3.3 מזו של Si. לכן לחומר SiC השפעה טובה על פיזור החום. באופן תיאורטי, מכשיר הכוח SiC יכול לפעול בטמפרטורת צומת של 175 מעלות צלזיוס, כך שניתן להפחית משמעותית את נפח גוף הקירור, המתאים לייצור מכשירים בטמפרטורה גבוהה.

(2) ל- SiC יש חוזק שדה בפירוק גבוה, והשדה החשמלי של הפירוק שלו הוא פי 10 מזה של Si, ולכן הוא מתאים למתגי מתח גבוה, ויש לו יכולת טיפול חזק בכוח, מה שהופך חומרי SiC מתאימים לייצור הספק גבוה, מכשירים בעלי זרם גבוה.

(3) ל- SiC יש קצב סחף גבוה של אלקטרונים ברוויה, שהוא כפליים מערך Si, וכמעט אינו מתמתן בשדות גבוהים, ויכולת עיבוד השדה הגבוהה שלו חזקה. לכן, חומר SiC מתאים למכשירים בתדר גבוה.

גביש יחיד של SiC הוא גם החומר המוליך-מוליך מהדור השלישי הבוגר ביותר בטכנולוגיית ההכנה. לכן SiC הוא אחד החומרים האידיאליים לייצור מכשירים בעלי טמפרטורה גבוהה, תדירות גבוהה, הספק גבוה, מתח גבוה.

ידוע היטב כי צפיפות הספק גבוהה, מתח גבוה, מודולי כוח IGBT בעלי זרם גבוה הם הרכיבים החשובים ביותר במהפך. ככל שצפיפות ההספק גבוהה יותר, העיצוב של מערכת ההנעה החשמלית קומפקטי יותר, וההספק באותה נפח גדול יותר. בשל צפיפות הזרם הגבוהה של מכשירי SiC (למשל, מוצרי אינפיניון עד 700 A / cm2), גודל החבילה המלא של מודול הכוח SiC קטן משמעותית ממודול הכוח Si IGBT באותה רמת הספק, מה שמקטין מאוד את גודל ה- מודול כוח.