Hybridfahrzeuge in die SiC-Ära

Die Hybridtechnologie Chinas nutzt Siliziumkarbid zur Effizienzrevolution

Vor kurzem gab Wuling Motors offiziell die Einführung der Siliziumkarbid-Technologie (SiC) in seinen Hybridfahrzeugen bekannt.Chery Auto hat auch neue Entwicklungen im Zusammenhang mit SiC-basierten Hybridsystemen vorgestelltDie führenden chinesischen Automobilhersteller wie Geely, Changan, BAIC und Hongqi haben ebenfalls strategische Investitionen in den Bereich der Siliziumcarbid-Hybride getätigt.Die Anwendung der SiC-Technologie ist zu einem wichtigen Highlight geworden.

In elektrischen Antriebssystemen führte die Integration von SiC-Leistungsmodulen in Kombination mit der HPDmini-Verpackungstechnologie zu einer Erhöhung der Leistungsdichte um 268%, einer Verbesserung der aktuellen Leistungsfähigkeit um 70% und einer Erhöhung derund eine 40%ige Verbesserung der Wärmeabbaueffizienz.

Darüber hinaus können die Motorgeschwindigkeiten nun bis zu 24.000 U/min erreichen, wodurch die Leistungsaufnahme und die Energieeffizienz erheblich verbessert werden.Der Hybridmarkt in China erlebt jetzt eine Welle technologischer Entwicklung, die sich auf das SiC+Hybrid-Modell konzentriert., wobei zahlreiche Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer ihren Einsatz beschleunigen.

Wie sieht der Hybridmarkt aus?

Eine wachsende Zahl von Anwendungsfällen deutet darauf hin, dass die technologische Modernisierung und der groß angelegte Ausbau des chinesischen Hybridmarktes eine synergistische Dynamik erzeugen.Nach den neuesten BranchendatenIm Jahr 2024 erreichte die installierte Basis von DHT-Systemen (Dedicated Hybrid Transmission) im chinesischen Sektor der Plug-in-Hybridfahrzeuge 3,713 Millionen Einheiten, was einem Anstieg von 94,61% gegenüber dem Vorjahr entspricht.Der Anteil der Hybridsysteme, die eine Doppelmotor-Architektur übernehmen, lag bei 97%..7%, was bestätigt, daß hocheffiziente, hochintegrierte Doppelmotorlösungen zur gängigen Wahl geworden sind.

Diese technologische Entwicklung hängt eng mit dem installierten Volumen von Dual-Electronic Control Units zusammen, die 3,628 Millionen Stück erreichten, ein Plus von 91,99% gegenüber dem Vorjahr.Es zeigt, dass die Automobilhersteller bei Kerntechnologien wie Leistungsentkopplung und Multimode-Fahren erhebliche Fortschritte erzielt haben.. Gemäß der2025 Weißbuch über Geräte und Module aus Siliziumkarbid (SiC) IndustrieforschungDa die Kosten für SiC-Geräte weiter sinken, wird erwartet, dass der Hybridmarkt zwischen 2025 und 2030 in eine zweite Wachstumsphase eintritt.

Häufig verwendete SiC-Produkte in Elektrofahrzeugen

1.SiC-MOSFET (Siliciumcarbide-Metall-Oxid-Halbleiterfeldwirkungstransistor)

Anwendungen:

• Hauptantriebsumrichter (Traktionsumrichter): Der Motor wird durch die Umwandlung von Hochspannungs-Gleichstrom in dreiphasige Wechselstromversorgung angetrieben.

• Gleichspannungsumrichter: Stabilisiert die Batteriespannung für Niederspannungssysteme.

• On-Board-Ladegerät (OBC): Umwandelt Strom aus dem Wechselstromnetz in Gleichstrom für das Laden von Batterien.

Vorteile:

• Hohe Schaltfrequenz → Steigerung der Systemleistung

• Reduziert die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Systems

• Senkung der Anforderungen an die thermische Bewirtschaftung

2.SiC SBD (Siliciumkarbid Schottky Barrierediode)

Anwendungen:

• Weit verbreitet in Bordladegeräten (OBC) und Gleichspannungs-Gleichspannungsumrichter

• Funktionen als Berichterstatter zur Verbesserung der Effizienz und Verringerung von Rückgewinnungsverlusten

Vorteile:

• Null Umkehrwiederherstellungszeit → Geeignet für Hochfrequenzschaltungen

• Ausgezeichnete thermische Stabilität

3.SiC-Leistungsmodule

Anwendungen:

• Integriert mehrere SiC-Komponenten (z. B. MOSFETs + SBDs) in ein kompaktes Modul

• In elektrischen Antriebssystemen, Motorsteuerungen und Hochspannungssystemen verwendet

Vorteile:

• Kompakte Konstruktion geeignet für hohe Leistungsdichte

• Optimierte thermische Steuerung und EMI-Abwehrleistung

6- und 8-Zoll-Siliziumkarbid-Substrate und Epitaxial-Wafer: Das Rückgrat von Stromgeräten der nächsten Generation

Zusammenfassung von SiC als Material

Siliziumcarbid ist ein breitbandreicher Halbleiter mit einer Bandbreite von 3,26 eV (für 4H-SiC), verglichen mit 1,12 eV für Silizium.

• Hochkritisches elektrisches Feld (~10 mal höher als bei Silizium)

• Hohe Wärmeleitfähigkeit (~ 3 mal höher als bei Silizium)

• Hohe Abbruchspannung

• Hochgeschwindigkeit der Elektronsättigung

Diese Eigenschaften machen SiC besonders geeignet für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen.SiC kann bei höheren Spannungen und Temperaturen arbeiten und gleichzeitig Energieverluste reduzieren, was für die Leistungsumwandlungseffizienz entscheidend ist.

SiC-Substrate: Die Grundlage

Kristallstruktur und Polytypen

SiC gibt es in vielen Polytypen, aber 4H-SiC ist das bevorzugte Material für Leistungselektronik aufgrund seiner höheren Elektronenmobilität und seiner breiten Bandbreite.Das Substrat ist typischerweise eine monokristalline Wafer, die aus einer großen SiC-Kugel geschnitten wird, die durch physikalischen Dampftransport (PVT) angebaut wird.

Herstellung von SiC-Substraten

Der Produktionsprozess umfasst:

1. KristallwachstumMit PVT oder modifizierten Lely-Methoden wird hochreines SiC-Pulver sublimiert und unter hoher Temperatur (~ 2000°C) und niedrigem Druck auf einen Samenkristall rekristallisiert.

2. Waferschneiden" Die gewachsene Kugel wird genau in Waferstücke geschnitten (2", 4", 6" oder 8").

3. Lappung und PolierenDie Wafer werden gemahlen, geschliffen und poliert, um eine ultraflache Oberfläche mit minimalen Defekten zu erhalten.

4. InspektionDie Substrate werden auf Verlängerungen, Mikroreifen, Verlängerungen der Basalebene (BPDs) und andere kristalline Defekte untersucht.

Schlüsselparameter

• Durchmesser:2", 4", 6" und auftauchende 8" (200 mm)

• Auswärtswinkel:4° typisch für 4H-SiC zur Verbesserung des epitaxialen Wachstums

• Oberflächenbearbeitung:CMP poliert (epiready)

• WiderstandsfähigkeitLeitung oder Halbisolierung, je nach Doping (N-Typ, P-Typ oder intrinsisch)

SiC-Epitaxialwafer: Einführung von Gerätendesign

Was ist eine Epitaxialwafer?

EinEpitaksiale Waferbesteht aus einer dünnen, doppierten SiC-Schicht, die auf einem polierten SiC-Substrat angebaut wird.

Epitaxiale Wachstumstechniken

Die häufigste Technik istChemische Dampfdeposition (CVD)Es ermöglicht eine präzise Kontrolle über:

• Schichtdicke(in der Regel einige bis zehn Mikrometer)

• Dopingkonzentration(von 1015 bis 1019 cm−3)

• Einheitlichkeitüber große Waferflächen

Als Vorläufer werden Gase wie Silan (SiH4) und Propan (C3H8) verwendet, zusammen mit Stickstoff für das N-Doping oder Aluminium für das P-Doping.

Anwendungsorientiertes Design

• MOSFETs:Für eine hohe Sperrspannung sind niedrig doppierte Drift-Schichten (515 μm) erforderlich.

• SBDs:Für einen geringen Vorwärtsspannungsabfall sind flachere Epitaxialschichten mit kontrollierter Doping erforderlich

• JFETs/IGBTsangepasste Schichtstrukturen für spezifisches Einschaltwiderstands- und Schaltverhalten

Vorteile von SiC-Substraten und Epilayern

Diese Vorteile tragen direkt zur Reduzierung der Größe, des Gewichts und der Kosten für Stromumwandlungssysteme in Elektrofahrzeugen, Ladegeräten, Solarumrichtern und industriellen Antrieben bei.

Herausforderungen und Trends in der Branche

Herausforderungen

• Fehlerkontrolle:Ausrutschungen der Basalebene (BPDs), Mikropipes und Stapelfehler beeinflussen die Leistung des Geräts.

• Waferkosten:SiC-Substrate sind aufgrund der Wachstumszeit, des Ertrags und der Komplexität wesentlich teurer als Si.

• SkalierbarkeitDie 6-Zoll-Wafer sind weit verbreitet, aber die Produktion von 8-Zoll-Wafern befindet sich noch in der F&E- und Pilotphase.

Trends

• Migration auf 8-Zoll-WaferUm die Kosten pro Chip zu senken

• Verbesserte Substratqualitätdurch Techniken zur Minderung von Defekten

• Vertikale Integrationvon Herstellern zur Kontrolle der gesamten Wertschöpfungskette vom Substrat bis zur verpackten Vorrichtung

• Schnelles Wachstum der Nachfragevon den Märkten für Automobil (EV) und erneuerbare Energien angetrieben

Schlussfolgerung

Siliziumkarbid-Substrate und epitaxiale Wafer bilden den Kern der Leistungselektronik der nächsten Generation.Hochverlässliche AnwendungenWährend die Welt in Richtung Elektrifizierung und Kohlenstoffneutralität übergeht, wird die Nachfrage nach SiC-Wafern weiter steigen und die Innovation und Kapazitätserweiterung in der gesamten Industrie vorantreiben.

Egal, ob Sie ein Halbleitergerätehersteller, EV-Entwickler oder Power-System-Integrator sind,Das Verständnis und die Auswahl der richtigen SiC-Substrate und Epilager ist ein entscheidender Schritt zur Erreichung von Leistung und kommerziellem Erfolg.