خودروهای هیبریدی وارد عصر SiC می شوند

تکنولوژی هیبریدی چین از کربید سیلیکون برای ایجاد انقلاب کارایی استفاده می کند

اخیراً، وولینگ موتورز به طور رسمی از استفاده از تکنولوژی کربید سیلیکون (SiC) در خودروهای هیبریدی خود خبر داد.شرکت چری اتو همچنین پیشرفت های جدیدی را در رابطه با سیستم های ترکیبی مبتنی بر سی سی معرفی کرد.شرکت های پیشرو در تولید خودرو در چین مانند جیلی، چانگان، بی آی سی و هنگچی نیز سرمایه گذاری های استراتژیک در فضای هیبریدی سیلیکون کاربید انجام داده اند.استفاده از تکنولوژی SiC تبدیل به یک نقطه برجسته شده است.

در سیستم های محرک الکتریکی، یکپارچه سازی ماژول های قدرت SiC در ترکیب با تکنولوژی بسته بندی HPDmini منجر به افزایش 268٪ در تراکم قدرت، 70٪ بهبود در ظرفیت خروجی فعلی،و 40 درصد افزایش در کارایی تبعید گرما.

علاوه بر این، سرعت موتور اکنون می تواند تا 24000 rpm برسد، که به طور قابل توجهی پاسخ قدرت و بهره وری انرژی را بهبود می بخشد.بازار هیبریدی چین اکنون در حال تجربه یک موج از تکامل تکنولوژیکی است که در اطراف مدل SiC + Hybrid است.، با بسیاری از تولیدکنندگان خودرو و تامین کنندگان Tier 1 که سرعت انتشار خود را افزایش می دهند.

چشم انداز بازار هیبرید چیست؟

تعداد فزاینده ای از موارد استفاده نشان می دهد که ارتقاء تکنولوژیکی و گسترش گسترده در بازار هیبرید چین در حال ایجاد یک حرکت همبستگی است.بر اساس آخرین داده های صنعت، در سال 2024، پایگاه نصب شده سیستم های DHT (Dedicated Hybrid Transmission) در بخش خودروهای هیبریدی پلاگین چین به 3.713 میلیون واحد رسید.سیستم های هیبریدی که از معماری دو موتور استفاده می کنند تا 97 درصد از.7٪، که تایید می کند که راه حل های دو موتور بسیار کارآمد و بسیار یکپارچه شده به انتخاب اصلی تبدیل شده اند.

این روند تکنولوژیکی به شدت با حجم نصب شده واحدهای کنترل الکترونیکی دوگانه مرتبط است که به 3.628 میلیون مجموعه رسیده است.این نشان می دهد که تولیدکنندگان خودرو پیشرفت قابل توجهی در فناوری های اصلی مانند جداسازی قدرت و رانندگی چند حالت داشته اندبر اساسکتاب سفید سال 2025 در مورد دستگاه ها و ماژول های کربید سیلیکون (SiC)با توجه به ادامه کاهش هزینه دستگاه های SiC، انتظار می رود بازار هیبریدی به مرحله دوم رشد بین سال های 2025 تا 2030 وارد شود.

محصولات SiC که معمولاً در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شوند

1.SiC MOSFET (ترانزیستور سیلیکون کاربید متال اکسید نیمه هادی میدان)

کاربردها:

• اینورتر محرک اصلی (انورتر کشش): موتور را با تبدیل قدرت DC ولتاژ بالا به قدرت سه فاز AC هدایت می کند.

• کنورتر DC-DC: ولتاژ باتری را برای سیستم های ولتاژ پایین پایدار می کند.

• شارژر در هواپیما (OBC): انرژی شبکه AC را به انرژی DC برای شارژ باتری تبدیل می کند.

مزایا:

• فرکانس سوئیچینگ بالا → کارایی سیستم را بهبود می بخشد

• اندازه و وزن کل سیستم را کاهش می دهد

• کاهش الزامات مدیریت حرارتی

2.SiC SBD (دیود مانع کربید سیلیکون Schottky)

کاربردها:

• به طور گسترده ای در شارژرهای داخلی (OBC) و تبدیل کننده های DC-DC استفاده می شود

• عملکرد به عنوان یک اصلاح کننده برای بهبود بهره وری و کاهش تلفات بازیابی معکوس

مزایا:

• صفر زمان بازیابی معکوس → مناسب برای سوئیچ فرکانس بالا

• ثبات حرارتی عالی

3.ماژول های قدرت SiC

کاربردها:

• یکپارچه سازی چندین جزء SiC (به عنوان مثال MOSFETs + SBDs) در یک ماژول فشرده

• در سیستم های محرک الکتریکی، کنترل کننده های موتور و سیستم های ولتاژ بالا استفاده می شود

مزایا:

• طراحی فشرده مناسب برای تراکم قدرت بالا

• عملکرد بهینه مدیریت حرارتی و سرکوب EMI

6 اینچ و 8 اینچ سیلیکون کربید زیرپوش و اپیتاسیال وافره: ستون فقرات نسل بعدی دستگاه های قدرت

خلاصه SiC به عنوان یک ماده

کربید سیلیکون یک نیمه هادی با باند گپ گسترده با باند گپ 3.26 eV (برای 4H-SiC) در مقایسه با 1.12 eV برای سیلیکون است. همچنین دارای:

• میدان الکتریکی بحرانی بالا (~ 10 برابر بیشتر از سیلیکون)

• رسانایی حرارتی بالا (~ 3 برابر بیشتر از سیلیکون)

• ولتاژ قطع بالا

• سرعت اشباع الکترون بالا

این خواص باعث می شود SiC به ویژه برای کاربردهای قدرت بالا، فرکانس بالا و دمای بالا مناسب باشد. بر خلاف سیلیکون،SiC می تواند در ولتاژ و دماهای بالاتر کار کند در حالی که از دست دادن انرژی را کاهش دهد، که برای بهره وری تبدیل قدرت بسیار مهم است.

سوبسترات های SiC: پایه

ساختار کریستالی و چند نوع

سی سی سی در بسیاری از انواع موجود است، اما 4H-سی سی به دلیل تحرک الکترونی بالاتر و فاصله باند گسترده ای که دارد، مواد مورد علاقه برای الکترونیک قدرت است.بستر به طور معمول یک وفر تک کریستالی است که از یک توپ سی سی بزرگ که با روش های انتقال بخار فیزیکی (PVT) رشد می کند، برش داده می شود..

تولید زیربناهای SiC

فرآیند تولید شامل:

1. رشد کریستالیبا استفاده از روش PVT یا روش های اصلاح شده Lely، پودر SiC با خلوص بالا به یک کریستال دانه در دمای بالا (~ 2000 °C) و فشار پایین تبدیل می شود.

2. برش وافره‬ گلوله ی رشد کرده به دقت به شکل دو، چهار، شش یا هشت قطره می شود.

3. چسباندن و پولیش کردنوافرها خرد می شوند و برای رسیدن به سطوح بسیار صاف با حداقل نقایص، شیک می شوند.

4. بازرسی️ زیرپوش ها برای انحرافات، میکروپیپ ها، انحرافات سطح پایه (BPDs) و سایر نقص های بلوری بررسی می شوند.

پارامترهای کلیدی

• قطر:2"، 4"، 6" و ظهور 8" (200 میلی متر)

• زاویه خارج از محور:۴° که برای ۴H-SiC برای بهبود رشد اپیتاکسیال معمول است

• پوشش سطحی:CMP پولیش شده (epiready)

• مقاومت:رسانا یا نیمه عایق کننده، بسته به دوپینگ (نوع N، نوع P یا ذاتی)

سی سی اپیتاکسیال وافرها: طراحی دستگاه را امکان پذیر می کند

یک وافر اپیتاکسیال چیست؟

یکنانوایی اپیتاکسیالشامل یک لایه باریک، SiC که بر روی یک بستر SiC پولیش شده رشد می کند. لایه epitaxial با پروفایل های الکتریکی و ضخامت خاص طراحی شده است تا نیازهای دقیق دستگاه های قدرت را برآورده کند.

تکنیک های رشد اپیتاکسیال

رایج ترین روشرسوب بخار شیمیایی (CVD)اجازه کنترل دقیق از:

• ضخامت لایه(معمولا چند تا ده ها میکرومتر)

• غلظت دوپینگ(از 1015 تا 1019 سانتی متر−3)

• یکنواختیدر مناطق بزرگ وافره

گاز هایی مانند سیلان (SiH4) و پروپان (C3H8) به عنوان پیشگامان استفاده می شوند، همراه با نیتروژن برای دوپینگ نوع n یا آلومینیوم برای دوپینگ نوع p.

طراحی مبتنی بر برنامه

• MOSFET ها:برای ولتاژ بلوک کردن بالا، لایه های خروجی کم دوپ (515 μm) مورد نیاز است.

• SBDs:نیاز به لایه های epitaxial کم عمق با دوپینگ کنترل شده برای کاهش ولتاژ پایین جلو

• JFETs/IGBTs:ساختارهای لایه ای سفارشی برای مقاومت خاص و رفتار سوئیچ

مزایای زیربناهای SiC و اپیلایرها

این مزایا به طور مستقیم به کاهش اندازه، وزن و هزینه سیستم های تبدیل قدرت در EV ها، شارژرها، اینورترهای خورشیدی و درایوهای صنعتی کمک می کنند.

چالش ها و روند صنعت

چالش ها

• کنترل نقص:انحرافات سطح پایه (BPDs) ، مایکروپیپ ها و نقص های انباشت بر عملکرد دستگاه تأثیر می گذارد.

• هزینه وافره:زیربناهای SiC به دلیل زمان رشد، بهره وری و پیچیدگی، به طور قابل توجهی گران تر از Si هستند.

• مقیاس پذیری:وافرهای 6 اینچی جریان اصلی هستند، اما تولید وافرهای 8 اینچی هنوز در مراحل تحقیق و توسعه و آزمایش است.

روند

• مهاجرت به وافرهای 8 اینچیبرای کاهش هزینه هر تراشه

• بهبود کیفیت بستراز طریق تکنیک های کاهش نقص

• ادغام عمودیتوسط تولید کنندگان برای کنترل کل زنجیره ارزش از بستر تا دستگاه بسته بندی شده

• رشد سریع تقاضارانده شده توسط بازارهای خودرو (EV) و انرژی های تجدید پذیر

نتیجه گیری

سوبسترات های کربید سیلیکون و وافرهای اپیتاکسیال هسته ای نسل بعدی الکترونیک قدرت را نشان می دهند. خواص مواد برتر آنها را در کارایی بالا ضروری می کند.برنامه های کاربردی با قابلیت اطمینان بالادر حالی که جهان به سمت برقسازی و خنثی سازی کربن تغییر می کند، تقاضا برای وافرهای SiC همچنان افزایش خواهد یافت و نوآوری و گسترش ظرفیت در سراسر صنعت را افزایش می دهد.

این که آیا شما یک تولید کننده دستگاه نیمه هادی، توسعه دهنده EV، یا یکپارچه کننده سیستم برق هستید،درک و انتخاب زیربناهای مناسب SiC و لایه های پاک کننده یک گام حیاتی برای دستیابی به عملکرد و موفقیت تجاری است.