Силовой модуль (IPM), IGBT и автомобильные силовые устройства

Почему карбид кремния считается будущим автомобильных силовых модулей?

Ширина запрещенной зоны карбида кремния примерно в три раза больше, чем у материалов на основе кремния. Критическая напряженность поля пробоя примерно в десять раз выше, чем у материалов на основе кремния. Теплопроводность карбида кремния примерно в три раза выше, чем у материалов на основе кремния, а скорость дрейфа насыщения электронов примерно в два раза выше, чем у материалов на основе кремния. Устойчивость к высоким напряжениям, высоким температурам и высокочастотным характеристикам карбидокремниевых материалов делают их пригодными для более жестких условий эксплуатации по сравнению с устройствами на основе кремния. Они могут значительно повысить эффективность и удельную мощность, одновременно снижая затраты, размеры и вес приложений.

Сравнение характеристик различных полупроводниковых материалов

Согласно данным Yole, объем мирового рынка силовых устройств из карбида кремния, по прогнозам, вырастет с 1.09 млрд долларов США в 2021 году до 6.297 млрд долларов США в 2027 году, при этом среднегодовой темп роста (CAGR) составит 34%. Ожидается, что среди них объем рынка карбида кремния для электромобилей увеличится с 685 миллионов долларов до 4.986 миллиардов долларов, демонстрируя еще более высокий среднегодовой темп роста - 39.2%. Электромобили (включая инверторы, бортовые зарядные устройства и преобразователи постоянного тока) представляют собой крупнейшее применение карбида кремния в переработке, при этом его рыночная доля, по прогнозам, вырастет с 62.8% до 79.2%, что указывает на непрерывную тенденцию к увеличению доли рынка.

Анализ рынка от Yole

Тенденции применения карбида кремния в автомобильной промышленности

В индустрии электромобилей наиболее важной проблемой является запас хода. На запас хода влияет множество факторов, в том числе емкость аккумулятора, вес автомобиля и эффективность преобразования энергии энергосистемы. Силовые полупроводники являются основой преобразования энергии, а силовые устройства из карбида кремния имеют преимущества перед устройствами на основе кремния, такие как меньшие потери проводимости, более высокие частоты переключения и более высокий срок службы при рабочем напряжении. Они могут обеспечить более высокую эффективность преобразования энергии системы и обеспечить больший запас хода, чем при использовании силовых устройств на основе кремния с тем же количеством электроэнергии. Поэтому спрос на применение силовых устройств из карбида кремния в электромобилях становится все более заметным. В электромобилях применение силовых устройств из карбида кремния в основном сосредоточено в двух направлениях: одно — для инвертора привода двигателя (контроллера двигателя), а другое — для бортовой системы электропитания, включающей в основном системы преобразования энергии (бортовые системы). бортовой DC/DC), бортовые системы зарядки (OBC), бортовые системы кондиционирования воздуха (PTC и компрессоры) и другие аспекты.

Индустриализация и технологическая логика автомобильных силовых модулей из карбида кремния

В настоящее время в мировой промышленности карбида кремния доминируют США, Европа и Япония, при этом большая часть материалов из карбида кремния поступает от американских компаний. В Европе существует полная производственная цепочка, охватывающая подложки из карбида кремния, эпитаксия, устройства и приложения, в то время как Япония имеет ведущее преимущество в разработке чипов, модулей и приложений из карбида кремния. В настоящее время Китай имеет полную производственную цепочку производства карбида кремния и является конкурентоспособным на международном уровне в области подготовки материалов и испытаний. В настоящее время иностранные компании занимают лидирующие позиции, а отечественные компании еще не завоевали значительную долю рынка. Однако в области транспортных средств на новых источниках энергии, благодаря лидирующей позиции Китая в электрификации транспортных средств, внутренний рынок становится благоприятным фактором для роста отечественных полупроводниковых компаний.

В настоящее время мировые компании, производящие карбид кремния, активно осваивают автомобильный рынок, основными сферами применения которого являются дискретные устройства питания и силовые модули. Среди них превосходные характеристики чипов из карбида кремния должны быть реализованы за счет эффективных и надежных соединений с корпусными и схемными системами для достижения идеальной производительности. Силовые модули MOSFET из карбида кремния, производимые с помощью профессионального проектирования и передовых процессов упаковки, в настоящее время являются основной тенденцией в электромобилях.

Продолжение следует...