Дијамант и материјали са{0}}широким појасом предводе технолошке иновације у електричним возилима

Брзи развој електричних возила (ЕВ) наметнуо је веће захтеве за енергетске електронске претвараче: ефикасност, компактност и поузданост. Традиционални полупроводници засновани на силицијуму (Си)-приближили су се својим теоријским границама, док се полупроводнички материјали са широким појасом (ВБГ) и ултра-широкопојасним (УВБГ) појављују као решења следеће{3}}генерације.

 

Овај чланак се првенствено фокусира на најновија достигнућа полупроводничких уређаја са широким-појасним размаком у претварачима енергије за електрична возила, уз-дубинску анализу карактеристика, изазова у производњи и перформанси уређаја силицијум карбида (СиЦ), галијум нитрида (ГаН), као и нових материјала као што су дијамантО и галијум ₂₂. Такође истражује применљивост ових материјала у критичним ЕВ системима као што су вучни претварачи, уграђени пуњачи (ОБЦ) и ДЦ-ДЦ претварачи, док се расправља о њиховој техничкој зрелости, недостацима у истраживању и будућим трендовима за истраживање потенцијала -технологије широког појаса у електричној мобилности.

Карактеристике материјала -широкопојасних полупроводника

Срж конверзије енергије у електричним возилима је енергетски електронски претварач, чије се перформансе у великој мери ослањају на полупроводничке комутационе уређаје. Силицијум, са својим уским појасним размаком (1,12 еВ), ограничен је на рад високог напона, високе температуре и-високе фреквенције, што отежава испуњавање захтева следеће-генерације високе{4}}густине, високе{5}}ефикасности ЕВ система за напајање.

 

Полупроводници са широким појасним размаком обично имају зазоре веће од 2 еВ, карактеришу већа електрична поља при пробоју, нижи отпор-стања и одличну топлотну проводљивост.

 

Примарни материјали укључују:

 

Силицијум карбид (СиЦ)

Најзрелија -технологија широког појаса има појас од 3,26 еВ, електрично поље 3–5 МВ/цм и топлотну проводљивост од 3,0–4,9 В/цм·К (приближно три пута већу од силицијумске). 4Х-СиЦ са масом пова је већ главни ток снаге 5 мм. производња и плочице од 200 мм при комерцијализацији. СиЦ МОСФЕТ-ови се истичу у високо-напонским системима изнад 800 В, значајно смањујући губитке у проводљивости и пребацивању, побољшавајући ефикасност претварача за неколико процената и проширујући домет возила. Примарни изазов лежи у високој густини заробљавања интерфејса СиЦ/СиО₂, али технике као што је пасивизација азота имају знатно повећану поузданост. У ниским{15}окружењима са ниском температуром (криогеним), отпорност{16}}укључивања и губици при пребацивању високонапонских СиЦ уређаја се значајно повећавају, што их чини неприкладним за апликације на екстремно ниским{18}}има.

 

галијум нитрид (ГаН)

Са размаком појаса од 3,4 еВ, дводимензионални електронски гас (2ДЕГ) формиран од АлГаН/ГаН хетероспојнице има покретљивост електрона до 2000 цм²/В · с, изузетно мали отпор и фреквенцију пребацивања до МХз. ГаН има очигледне предности у високо-фреквентном и средњем напону (<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.

 

дијамант

Ултра широки појас (5,47 еВ), теоријско електрично поље пробоја од 20 МВ/цм, топлотна проводљивост од 22 В/цм · К (више од 5 пута већа од СиЦ), теоретске перформансе далеко надмашују друге материјале, а пријављене су скоро 10 кВ Шоткијеве диоде и изузетно високе Балига вредности заслуга. Међутим, допинг типа н- је тежак и цена супстрата је висока. Комерцијализација дијамантских уређаја за напајање може да потраје, али њихов потенцијал у ултра-применама на високом напону и високим температурама је без премца.

 

- Галијум оксид (Га ₂ О ∝)

Са размаком појаса од 4,5-4,9 еВ и електричним пољем од 8 МВ/цм, монокристалне подлоге великих{5}}величина могу се узгајати методом топљења (као што је Чохралски) са ниским потенцијалом трошкова производње. Главни недостатак је изузетно ниска топлотна проводљивост (0,1-0,3 В/цм · К), што захтева напредна решења за хлађење; Допинг типа П је тежак, а већина уређаја је униполарна. Погодно за будуће апликације ултра високог напона.

 

Поређење својстава материјала и прикладности за ЕВ апликације

Карактеристике различитих материјала одређују њихове оптималне сценарије примене у различитим подсистемима ЕВ:

• Вучни инвертер (високи напон, 800 В+систем)
• СиЦ је оптималан. Могућност високог напона, висока топлотна проводљивост и једноставан систем хлађења увелико су заменили силиконске ИГБТ-ове, побољшавајући ефикасност и продужавајући век трајања батерије.
• Пуњач за аутомобил (ОБЦ) и ДЦ-ДЦ претварач
• ГаН је најбољи. Рад на високој фреквенцији значајно смањује запремину пасивних компоненти, постижући густину снаге од 3-5 кВ/Л или више, смањујући тежину возила и смањујући трошкове.
• Бежично пуњење (ВПТ)
• ГаН-ове високе{0}}карактеристике се природно прилагођавају резонантним претварачима у распону од стотина кХз до МХз.
• Будући сценарији са ултра високим напоном (као што су тешки-камиони, интерфејси за електроенергетску мрежу)
• Дијамант и Га ₂ О3 имају највећи потенцијал да поједноставе топологију и смање серијски повезане уређаје.
• У погледу перформанси на ниским{0}}температурама, ГаН и силицијум показују одличне перформансе, док се перформансе СиЦ-а високог{1}}напона смањују, па би требало да се изврши пажљив избор у складу са сценаријем примене.

 

Потенцијална примена и инжењерске перспективе дијаманта у ефикасном претварачу електричне енергије

Дијамант се сматра материјалом следеће генерације који превазилази СиЦ/ГаН због свог ултра широког појаса и изузетно високе топлотне проводљивости. Главни изазови су тешкоћа допинга типа н- (дубоки ниво фосфора/азота, стопа активације на ниској собној температури) и висока цена монокристалних супстрата великих-величина, али недавни напредак је значајан.

 

Јапански Повер Диамонд Системс (ПДС) приказује-прототипове дијамантских МОСФЕТ-ова који раде у реалном времену на СЕМИЦОН Јапан 2025, са плановима за испоруку узорака за ЕВ инверторе и сателите у фискалној 2026. години.

Француски Диамфаб унапређује синтетичке дијамантске плочице од 4 инча како би изградио европски дијамантски екосистем, циљајући на енергетску електронику, са очекиваним индустријским прототипом до 2026. године.

Прототип Ливнице дијаманата Персеус (2023) има демонстрациону запремину шест пута мању и већу густину снаге од претварача Тесла Модел 3.

Потенцијал за интеграцију ЕВ система

Велика јачина пробојног поља дијаманта омогућава му директну везу са високо-напонским системима, поједностављујући топологију енергетских претварача и смањујући број потребних уређаја. Поред тога, ултра-висока топлотна проводљивост дијаманта поједностављује систем хлађења, постижући већу густину снаге (неколико пута већу од тренутних СиЦ уређаја). Диамонд има широк потенцијал примене у ултра-високонапонским вучним инвертерима, ултра компактним пуњачима за аутомобиле и системима који су толерантни на-високе температуре.

 

Управљање топлотом и поузданост

Ултра{0}}висока топлотна проводљивост дијаманта чини га посебно погодним за-ЕВ системе велике снаге, омогућавајући ефикасно расипање топлоте без потребе за сложеним хлађењем. Дијамант ради боље од СиЦ и ГаН у окружењу високе температуре и зрачења.

 

Закључци и изгледи

Полупроводници са широким појасом преобликују пејзаж енергетске електронике електричних возила. СиЦ доминира високо-напонским вучним претварачима, ГаН предводи апликације високе{2}}фреквенције и велике-прилике, док дијамант и Га ₂ О3 представљају будући правац ултра-високог напона и екстремних окружења. Избор материјала треба свеобухватно да узме у обзир ниво напона, фреквенцију укључивања, управљање топлотом и цену.

 

Тренутни главни изазови укључују: оптимизацију СиЦ интерфејса, високонапонску{0}}поузданост ГаН-а и проблеме са допингом и супстратом дијаманта/Га ₂ О3. Са зрелошћу производних процеса, уређаји са широким појасом ће додатно побољшати ефикасност, домет и брзину пуњења електричних возила, истовремено промовишући обимне иновације у енергетској електроници у областима електричне мреже, индустрије и авијације.