Deimantinės ir plačios{0}}tarpo medžiagos yra elektrinių transporto priemonių technologinės naujovės

Sparčiai vystantis elektromobiliams (EV) galios elektroniniams keitikliams keliami didesni reikalavimai: efektyvumas, kompaktiškumas ir patikimumas. Tradiciniai silicio (Si){1}}pagrįsti puslaidininkiai priartėjo prie savo teorinių ribų, o plačiajuosčio (WBG) ir itin-plataus dažnio juostos (UWBG) puslaidininkių medžiagos atsiranda kaip naujos- kartos sprendimai.

 

Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama naujausioms plataus{0}}pralaidumo puslaidininkinių įrenginių pažangai elektromobilių galios keitikliams, išsamiai išanalizuoti silicio karbido (SiC), galio nitrido (GaN) charakteristikas, gamybos iššūkius ir įrenginio našumą bei naujų medžiagų, tokių kaip deimantas ir galis₃, savybes. Jame taip pat nagrinėjamas šių medžiagų pritaikymas svarbiose EV sistemose, pvz., traukos keitikliuose, įmontuotuose įkrovikliuose (OBC) ir nuolatinės srovės -DC keitikliuose, kartu aptariant jų techninę brandą, tyrimų spragas ir ateities tendencijas, siekiant ištirti plataus-pralaidumo technologijos potencialą elektros mobilumo srityje.

Plataus{0}}pralaidumo puslaidininkių medžiagų charakteristikos

Elektromobilių energijos konversijos pagrindas yra galios elektroninis keitiklis, kurio veikimas labai priklauso nuo puslaidininkių perjungimo įtaisų. Silicis, turintis siaurą dažnių juostą (1,12 eV), yra ribojamas aukštos įtampos, aukštos temperatūros ir aukšto-dažnio veikimo, todėl tampa vis sunkiau patenkinti naujos-kartos didelio-tankio, didelio{5}}efektyvumo EV maitinimo sistemų poreikius.

 

Plataus dažnio juostos puslaidininkių juostos tarpai paprastai viršija 2 eV, pasižymi didesniu gedimo elektriniu lauku, mažesne -būsenos varža ir puikiu šilumos laidumu.

 

Pagrindinės medžiagos apima:

 

Silicio karbidas (SiC)

Pažangiausia plačiajuosčio-pralaidos technologija pasižymi 3,26 eV pralaidumu, 3–5 MV/cm gedimo elektriniu lauku ir 3,0–4,9 W/cm·K šilumos laidumu (maždaug tris kartus daugiau nei silicio). 200 mm plokštelės artėja prie komercializavimo. SiC MOSFET puikiai tinka aukštos{11}}tampos sistemose, viršijančiose 800 V, žymiai sumažina laidumo ir perjungimo nuostolius, keliais procentiniais punktais pagerina keitiklio efektyvumą ir padidina transporto priemonės diapazoną. Pagrindinis iššūkis yra didelis SiC / SiO₂ sąsajos spąstų tankis, tačiau tokie metodai kaip azoto pasyvavimas labai padidino patikimumą. Žemos -temperatūros (kriogeninėje) aplinkoje aukštos-įtampos SiC įrenginių atsparumas įjungimui ir perjungimo nuostoliai labai padidėja, todėl jie netinkami naudoti ypač žemoje{18}}temperatūroje.

 

Galio nitridas (GaN)

Esant 3,4 eV dažnių juostai, dvimatės elektronų dujos (2DEG), sudarytos iš AlGaN/GaN heterosandūros, turi iki 2000 cm²/V · s elektronų judrumą, itin mažą varžą ir iki MHz perjungimo dažnį. GaN turi akivaizdžių pranašumų dėl aukšto{5}}dažnio ir vidutinės įtampos (<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.

 

deimantas

Itin platus dažnių juostos tarpas (5,47 eV), teorinis gedimo elektrinis laukas 20 MV/cm, šilumos laidumas 22 W/cm · K (daugiau nei 5 kartus didesnis nei SiC), teorinės charakteristikos gerokai viršija kitų medžiagų, ir buvo pranešta apie beveik 10 kV Schottky diodus ir itin aukštas Baliga privalumus. Tačiau n-tipo dopingas yra sudėtingas, o substrato kaina yra didelė. Deimantinių galios įrenginių komercializavimas gali užtrukti, tačiau jų potencialas naudojant itin-aukštą įtampą ir aukštą temperatūrą yra neprilygstamas.

 

- Galio oksidas (Ga ₂ O ∝)

Esant 4,5-4,9 eV pralaidumui ir 8 MV/cm gedimo elektriniam laukui, dideli -dydžio monokristaliniai substratai gali būti auginami lydymosi metodu (pvz., Czochralski) su mažomis gamybos sąnaudomis. Pagrindinis trūkumas – itin mažas šilumos laidumas (0,1-0,3 W/cm · K), reikalaujantis pažangių vėsinimo sprendimų; P tipo dopingas yra sunkus, o dauguma prietaisų yra vienpoliai. Tinka būsimoms itin aukštos įtampos programoms.

 

Medžiagų savybių ir tinkamumo elektromobiliams palyginimas

Skirtingų medžiagų charakteristikos lemia optimalų jų taikymo scenarijus skirtinguose EV posistemiuose:

• Traukos keitiklis (aukšta įtampa, 800 V+ sistema)
• SiC yra optimalus. Aukštos įtampos galimybė, didelis šilumos laidumas ir paprasta aušinimo sistema plačiai pakeitė silicio IGBT, pagerindami efektyvumą ir prailgindami baterijos veikimo laiką.
• Automobilinis įkroviklis (OBC) ir DC{0}}DC keitiklis
• GaN yra geriausias. Aukšto dažnio veikimas žymiai sumažina pasyviųjų komponentų tūrį, pasiekiant 3-5 kW/L arba didesnį galios tankį, sumažinant transporto priemonės svorį ir sąnaudas.
• Belaidis įkrovimas (WPT)
• GaN aukšto{0}}dažnio charakteristikos natūraliai prisitaiko prie rezonansinių keitiklių, kurių dažnis svyruoja nuo šimtų kHz iki MHz.
• Itin aukštos įtampos ateities scenarijai (pvz.,{0}}sunkieji sunkvežimiai, elektros tinklo sąsajos)
• Diamond ir Ga ₂ O3 turi didžiausią potencialą supaprastinti topologiją ir sumažinti nuosekliai prijungtų įrenginių skaičių.
• Kalbant apie našumą žemoje{0}}temperatūroje, GaN ir silicis pasižymi puikiu našumu, o aukštos-įtampos SiC našumas mažėja, todėl reikia atidžiai pasirinkti pagal taikymo scenarijų.

 

Galimas deimantų panaudojimas ir inžinerinės perspektyvos efektyviame elektromobilių energijos keitiklyje

Deimantas yra laikomas naujos kartos medžiaga, pranokstančia SiC/GaN dėl itin plačios juostos ir itin didelio šilumos laidumo. Pagrindiniai iššūkiai yra n-tipo dopingo sudėtingumas (gilus fosforo / azoto lygis, žemas kambario temperatūros aktyvinimo greitis) ir didelės didelių -dydžių monokristalinių substratų kainos, tačiau pastaruoju metu padaryta didelė pažanga.

 

Japonijos „Power Diamond Systems“ (PDS) parodoje SEMICON Japan 2025 demonstruoja realiu laiku veikiančius{0}}deimantinės galios MOSFET prototipus, o 2026 fiskaliniais metais planuojama pristatyti elektromobilių keitiklių ir palydovų pavyzdžius.

Prancūzų Diamfab patobulina 4 colių sintetinių deimantų plokšteles, kad sukurtų Europos deimantų ekosistemą, skirtą galios elektronikai, o pramoninis prototipas turėtų būti sukurtas iki 2026 m.

Diamond Foundry Perseus prototipo (2023 m.) demonstracinis tūris yra šešis kartus mažesnis ir didesnis nei Tesla Model 3 keitiklio.

EV sistemos integravimo potencialas

Didelis deimantų gedimo lauko stiprumas leidžia jam tiesiogiai sąveikauti su aukštos{0}}tampos sistemomis, supaprastinant galios keitiklių topologiją ir sumažinant reikalingų įrenginių skaičių. Be to, itin didelis deimantų šilumos laidumas supaprastina aušinimo sistemą, todėl pasiekiamas didesnis galios tankis (kelis kartus didesnis nei dabartinių SiC įrenginių). „Diamond“ gali plačiai pritaikyti itin-aukštos įtampos traukos keitiklius, itin kompaktiškus automobilinius įkroviklius ir aukštai{5}}temperatūrai atsparias sistemas.

 

Šilumos valdymas ir patikimumas

Dėl itin didelio deimantų šilumos laidumo-ji ypač tinka didelės-galios EV sistemoms, leidžiančioms efektyviai išsklaidyti šilumą be sudėtingo aušinimo. Deimantas veikia geriau nei SiC ir GaN aukštos temperatūros ir spinduliuotės aplinkoje.

 

Išvados ir perspektyvos

Plataus dažnio juostos puslaidininkiai keičia elektrinių transporto priemonių galios elektronikos kraštovaizdį. SiC dominuoja aukštos-tampos traukos keitikliuose, GaN – aukšto-dažnio ir didelio-tankio įrenginiuose, o deimantas ir Ga ₂ O3 – tai ateities kryptis itin-aukštos įtampos ir ekstremaliose aplinkose. Renkantis medžiagas reikia visapusiškai atsižvelgti į įtampos lygį, perjungimo dažnį, šilumos valdymą ir kainą.

 

Šiuo metu pagrindiniai iššūkiai yra šie: SiC sąsajos optimizavimas, GaN aukštos{0} įtampos patikimumas ir deimantų / Ga ₂ O3 dopingo ir substrato problemos. Brandėjant gamybos procesams, plataus dažnio diapazono įrenginiai dar labiau padidins elektrinių transporto priemonių efektyvumą, atstumą ir įkrovimo greitį, kartu skatins plačias galios elektronikos naujoves elektros tinklų, pramonės ir aviacijos srityse.