第三代半导体：新能源汽车性能提升的“芯”动力

创作时间:

2025-01-21 20:36:49

作者:

@小白创作中心

第三代半导体：新能源汽车性能提升的“芯”动力

2024年11月，我国新能源汽车产销量再创历史新高，当月产量达156.6万辆，同比增长45.8%，销量达151.2万辆，同比增长47.4%。新能源汽车新车销量占汽车新车总销量的比重已达45.6%。这一数据不仅展示了新能源汽车产业的蓬勃发展，也凸显了其在推动能源转型和科技创新中的重要作用。

在新能源汽车技术不断进步的背景下，第三代半导体技术，尤其是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），正成为推动产业发展的关键力量。这些新材料不仅提高了车辆的能源利用效率，还显著提升了充电速度和续航里程。

第三代半导体技术：新能源汽车的“芯”动力

第三代半导体材料，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优势。这些特性使得基于第三代半导体材料的器件能够在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，同时还能以较少的电能消耗获得更高的运行能力。

SiC：电动汽车性能提升的关键

SiC功率器件在新能源汽车中的应用尤为突出。相比传统的硅基IGBT（绝缘栅双极型晶体管），SiC MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）具有显著的优势：

能量损耗更低：SiC MOSFET的导通电阻极低，同规格下相比Si-IGBT总能量损失可降低约80%。
尺寸更小：由于损耗低且电流密度高，SiC MOSFET的体积仅为传统Si-MOS的1/10。
开关频率更高：SiC器件不存在电流拖尾现象，开关损耗低，能大幅提高实际应用中的开关频率。
工作温度更高：SiC拥有更高的热导率，器件散热更容易，能够降低对散热系统的需求，利于终端轻量化和小型化。

这些优势使得SiC功率器件在电动汽车的多个关键部件中得到广泛应用：

电机控制器（电驱）：SiC功率模块能够提供更高的功率密度和效率，帮助实现更强劲的动力输出和更长的续航里程。
车载充电机（OBC）：SiC器件的高效能源转换能力使得充电速度大幅提升，同时减小了充电机的体积和重量。
DC/DC变换器：在高压系统中，SiC器件能够实现更高效的电压转换，减少能量损耗。

以小鹏G9为例，其800V高压SiC平台相比400V平台续航提升5%，可实现充电5分钟续航超过200公里。特斯拉更是早在2018年就在Model 3的主驱逆变器中使用了SiC MOSFET，奠定了碳化硅“上车”的里程碑。

GaN：新能源汽车效率提升的新选择

GaN器件在新能源汽车中的应用同样展现出巨大潜力。GaN具有出色的高速开关特性，因而在基站和数据中心等领域中，GaN器件由于可以降低各种开关电源的功耗并实现小型化而被寄予厚望。在新能源汽车领域，GaN器件主要用于车载充电器和高压直流转换器等关键部位。

数据显示，将GaN器件应用于新能源汽车的车载充电器、DC-DC转换器等领域时，可在节能70%的同时使充电效率达到98%，增加5%续航。这一优势使得GaN器件在新能源汽车中的应用日益增多。预计到2025年，GaN将小批量渗透到低功率车载充电器（OBC）和DC-DC转换器中，到2030年可能进一步应用于牵引逆变器。

市场前景与挑战

尽管第三代半导体技术在新能源汽车中的应用展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战：

成本问题：目前SiC器件的成本是Si器件的3倍左右，GaN器件的成本更是更高。虽然从系统整体来看，SiC和GaN器件能够通过降低能耗和减小系统体积带来成本节省，但高昂的器件成本仍然是制约其大规模应用的主要因素。
技术成熟度：尽管SiC和GaN器件在性能上展现出显著优势，但其制造工艺和供应链成熟度仍不及传统的硅基器件。提高良率和产能是降低成本的关键。

不过，随着技术进步和规模经济效应的显现，这些挑战正在逐步得到解决。预计衬底价格将以每年8%的速度下降，将进一步加速SiC和GaN器件的市场渗透。