Диамантени и широко{0}}диамантени материали са водещи в технологичните иновации в електрическите превозни средства

Бързото развитие на електрическите превозни средства (EV) наложи по-високи изисквания към силовите електронни преобразуватели: ефективност, компактност и надеждност. Традиционните полупроводници на основата на силиций (Si)- са се доближили до своите теоретични граници, докато полупроводниковите материали с широка забранена лента (WBG) и ултра-широка забранена зона (UWBG) се появяват като решения от следващо-поколение.

 

Тази статия се фокусира основно върху най-новите постижения на широко{0}}широколентовите полупроводникови устройства в преобразувателите на мощност за електрически превозни средства, с-задълбочен анализ на характеристиките, предизвикателствата при производството и производителността на устройствата на силициев карбид (SiC), галиев нитрид (GaN), както и нововъзникващи материали като диамант и галиев оксид (Ga₂O₃). Той също така изследва приложимостта на тези материали в критични EV системи като тягови инвертори, бордови зарядни устройства (OBC) и DC-DC преобразуватели, като същевременно обсъжда тяхната техническа зрялост, пропуски в изследванията и бъдещи тенденции за изследване на потенциала на широко-широколентовата технология в електрическата мобилност.

Материални характеристики на полупроводници с широка{0}}забранена зона

Ядрото на преобразуването на енергия в електрическите превозни средства е силовият електронен преобразувател, чиято работа зависи до голяма степен от полупроводникови превключващи устройства. Силицият със своята тясна ширина на лентата (1,12 eV) е ограничен при високо напрежение, висока температура и висока-честота, което прави все по-трудно да се отговори на изискванията на следващото-поколение с висока-плътност и висока-ефективност EV захранващи системи.

 

Полупроводниците с широка забранена зона обикновено имат забранени ленти над 2 eV, характеризиращи се с по-високи пробивни електрически полета, по-ниско съпротивление при-състояние и отлична топлопроводимост.

 

Основните материали включват:

 

Силициев карбид (SiC)

Най-развитата широко{0}}технология за забранена лента се отличава със забранена лента от 3,26 eV, електрическо поле на пробив от 3–5 MV/cm и топлопроводимост от 3,0–4,9 W/cm·K (приблизително три пъти по-голяма от тази на силиция). 4H-SiC е основният политип за захранващи устройства, като 150 mm пластини вече са в масово производство и 200 mm пластини, които са близо до комерсиализация. SiC MOSFET се отличават в системи с високо{11}}напрежение над 800 V, като значително намаляват проводимостта и загубите при превключване, подобряват ефективността на инвертора с няколко процентни пункта и разширяват обхвата на автомобила. Основното предизвикателство се крие във високата плътност на прихващане на интерфейса на SiC/SiO₂, но техники като азотна пасивация имат значително повишена надеждност. В ниско{15}}температурни (криогенни) среди, -съпротивлението при включване и загубите при превключване на високо{17}}напрежение на SiC устройства се увеличават значително, което ги прави неподходящи за екстремно ниски{18}}температурни приложения.

 

Галиев нитрид (GaN)

С ширина на лентата от 3,4 eV, дву-измерният електронен газ (2DEG), образуван от AlGaN/GaN хетеропреход, има подвижност на електрони до 2000 cm²/V · s, изключително ниско съпротивление и честота на превключване до MHz. GaN има очевидни предимства при висока-честота и средно напрежение (<650 V) applications, which can significantly reduce the volume and weight of passive components in car chargers and DC-DC converters. At low temperatures, the performance of GaN is actually improved, with reduced on resistance and faster switching speed, making it very suitable for extreme environments. However, GaN lacks inexpensive intrinsic substrates and is often grown epitaxially on silicon, resulting in lattice mismatch and defect issues; The manufacturing of enhanced (normally off) devices is also more complex.

 

диамант

Свръхширока ширина на лентата (5,47 eV), теоретично електрическо поле на пробив от 20 MV/cm, топлопроводимост от 22 W/cm · K (повече от 5 пъти по-висока от тази на SiC), теоретичната производителност далеч надхвърля други материали и почти 10 kV диоди на Шотки и изключително високи стойности на Baliga. Допирането от тип n- обаче е трудно и цената на субстрата е висока. Комерсиализирането на диамантени захранващи устройства може да отнеме време, но техният потенциал в приложения с ултра-високо напрежение и висока температура е несравним.

 

- Галиев оксид (Ga ₂ O ∝)

С ширина на лентата от 4,5-4,9 eV и електрическо поле на пробив от 8 MV/cm, монокристални субстрати с голям-размер могат да бъдат отгледани чрез метод на стопяване (като Czochralski) с потенциал за ниски производствени разходи. Основният недостатък е изключително ниската топлопроводимост (0,1-0,3 W/cm · K), изискваща модерни решения за охлаждане; Допирането от P-тип е трудно и повечето устройства са еднополярни. Подходящ за бъдещи приложения с ултрависоко напрежение.

 

Сравнение на свойствата на материалите и пригодността за EV приложения

Характеристиките на различните материали определят техните оптимални сценарии за приложение в различни подсистеми на EV:

• Тягов инвертор (високо напрежение, 800 V+система)
• SiC е оптимален. Възможностите за високо напрежение, високата топлопроводимост и простата охладителна система широко замениха силициевите IGBT, подобрявайки ефективността и удължавайки живота на батерията.
• Зарядно за кола (OBC) и DC-DC преобразувател
• GaN е най-добрият. Работата с висока честота значително намалява обема на пасивните компоненти, постигайки плътност на мощността от 3-5 kW/L или по-висока, намалявайки теглото на превозното средство и понижавайки разходите.
• Безжично зареждане (WPT)
• Високочестотните-характеристики на GaN естествено се адаптират към резонансни преобразуватели, вариращи от стотици kHz до MHz.
• Бъдещи сценарии за свръхвисоко напрежение (като тежкотоварни-камиони, интерфейси на електрическата мрежа)
• Diamond и Ga ₂ O3 имат най-голям потенциал за опростяване на топологията и намаляване на серийно свързаните устройства.
• По отношение на ефективността при ниски-температури GaN и силицият показват отлична производителност, докато ефективността на-SiC при високо напрежение намалява и трябва да се направи внимателен избор според сценария на приложение.

 

Потенциално приложение и инженерни перспективи на Diamond в ефективен електропреобразувател на енергия

Диамантът се счита за материал от следващо поколение, надминаващ SiC/GaN поради своята ултраширока ширина на лентата и изключително висока топлопроводимост. Основните предизвикателства са трудността на допирането от тип n- (дълбоко ниво на фосфор/азот, скорост на активиране при ниска стайна температура) и високата цена на монокристални субстрати с-големи размери, но скорошният напредък е значителен.

 

Power Diamond Systems (PDS) на Япония демонстрира-мощни MOSFET прототипи на диамантено захранване в реално време на SEMICON Japan 2025, с планове за изпращане на образци за EV инвертори и сателити през фискалната 2026 година.

Френският Diamfab усъвършенства 4-инчовите синтетични диамантени пластини, за да изгради европейска диамантена екосистема, насочена към силовата електроника, с очакван индустриален прототип до 2026 г.

Прототипът на Diamond Foundry Perseus (2023) има демонстрационен обем шест пъти по-малък и по-висока плътност на мощността от инвертора на Tesla Model 3.

Потенциал за интегриране на EV система

Високата сила на пробивното поле на диаманта му позволява директно да взаимодейства със системи с високо-напрежение, опростявайки топологията на преобразувателите на енергия и намалявайки броя на необходимите устройства. В допълнение, ултра-високата топлопроводимост на диаманта опростява охладителната система, постигайки по-висока плътност на мощността (няколко пъти по-висока от сегашните SiC устройства). Diamond има широки потенциални приложения в тягови инвертори с ултра-високо напрежение, ултракомпактни зарядни устройства за автомобили и системи, устойчиви на висока-температура.

 

Топлинно управление и надеждност

Свръх{0}}високата топлопроводимост на диаманта го прави особено подходящ за високо-мощни EV системи, позволявайки ефективно разсейване на топлината без необходимост от сложно охлаждане. Диамантът се представя по-добре от SiC и GaN в среда с висока температура и радиация.

 

Изводи и перспективи

Широколентовите полупроводници променят пейзажа на силовата електроника на електрическите превозни средства. SiC доминира в тяговите инвертори с високо-напрежение, GaN води приложения с висока-честота и висока-плътност, докато диамантът и Ga ₂ O3 представляват бъдещата посока на ултра-високо напрежение и екстремни среди. Изборът на материали трябва да отчита изчерпателно нивото на напрежението, честотата на превключване, термичното управление и цената.

 

Текущите основни предизвикателства включват: SiC оптимизация на интерфейса, GaN-надеждност при високо напрежение и проблеми с допинга и субстрата на диамант/Ga ₂ O3. Със зрелостта на производствените процеси, устройствата с широк диапазон ще подобрят още повече ефективността, обхвата и скоростта на зареждане на електрическите превозни средства, като същевременно насърчават обширни иновации в силовата електроника в областта на електрическата мрежа, индустрията и авиацията.