วัสดุแถบแบนด์แบบเพชรและกว้าง-เป็นผู้นำนวัตกรรมทางเทคโนโลยีในยานพาหนะไฟฟ้า

การพัฒนาอย่างรวดเร็วของยานพาหนะไฟฟ้า (EV) ทำให้มีความต้องการตัวแปลงไฟฟ้ากำลังสูงขึ้น ทั้งในด้านประสิทธิภาพ ความกะทัดรัด และความน่าเชื่อถือ เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิคอน (Si)- แบบดั้งเดิมได้เข้าใกล้ขีดจำกัดทางทฤษฎีแล้ว ในขณะที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่กว้าง (WBG) และ-แถบกว้างพิเศษ (UWBG) กำลังเกิดขึ้นเป็นโซลูชัน-ยุคถัดไป

 

บทความนี้มุ่งเน้นที่ความก้าวหน้าล่าสุดของ-อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้างในตัวแปลงกำลังของยานพาหนะไฟฟ้า โดยมีการวิเคราะห์เชิงลึก-เกี่ยวกับคุณลักษณะ ความท้าทายในการผลิต และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) รวมถึงวัสดุที่เกิดขึ้นใหม่ เช่น เพชรและแกลเลียมออกไซด์ (Ga₂O₃) นอกจากนี้ ยังตรวจสอบการบังคับใช้ของวัสดุเหล่านี้ในระบบ EV ที่สำคัญ เช่น อินเวอร์เตอร์แบบฉุดลาก เครื่องชาร์จแบบออนบอร์ด (OBC) และตัวแปลง DC- ขณะเดียวกันก็หารือถึงความสมบูรณ์ทางเทคนิค ช่องว่างในการวิจัย และแนวโน้มในอนาคตเพื่อสำรวจศักยภาพของ-เทคโนโลยี bandgap ที่กว้างในการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า

ลักษณะเฉพาะของวัสดุของเซมิคอนดักเตอร์แบนด์แกป-แบบกว้าง

แกนหลักของการแปลงพลังงานในยานพาหนะไฟฟ้าคือตัวแปลงไฟฟ้ากำลัง ซึ่งประสิทธิภาพต้องอาศัยอุปกรณ์สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์เป็นอย่างมาก ซิลิคอนซึ่งมีแถบความถี่แคบ (1.12 eV) ถูกจำกัดในด้านไฟฟ้าแรงสูง อุณหภูมิสูง และการทำงานความถี่สูง- ทำให้ยากขึ้นเรื่อยๆ ที่จะตอบสนองความต้องการของ-ระบบพลังงาน EV ที่มีความหนาแน่นสูง{4}}ประสิทธิภาพสูง-ถัดไป

 

โดยทั่วไปแล้วเซมิคอนดักเตอร์แบบแถบความถี่แบบกว้างจะมีแถบความถี่ที่เกิน 2 eV ซึ่งมีสนามไฟฟ้าที่มีการแยกส่วนสูงกว่า ความต้านทาน-สถานะที่ต่ำกว่า และการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม

 

วัสดุเบื้องต้นได้แก่:

 

ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)

เทคโนโลยีแถบความถี่กว้าง-ที่เติบโตเต็มที่ที่สุดมีแถบความถี่ที่ 3.26 eV สนามไฟฟ้าพังทลายที่ 3–5 MV/cm และค่าการนำความร้อนที่ 3.0–4.9 W/cm·K (ประมาณสามเท่าของซิลิคอน). 4H-SiC เป็นโพลีไทป์กระแสหลักสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า โดยมีเวเฟอร์ขนาด 150 มม. ในการผลิตจำนวนมากและเวเฟอร์ขนาด 200 มม. ใกล้เข้าสู่เชิงพาณิชย์แล้ว SiC MOSFET ทำงานได้ดีในระบบ-แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า 800 V ซึ่งช่วยลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าและสวิตช์ได้อย่างมาก ปรับปรุงประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์หลายเปอร์เซ็นต์ และขยายช่วงของยานพาหนะ ความท้าทายหลักอยู่ที่ความหนาแน่นของส่วนต่อประสานของ SiC/SiO₂ สูง แต่เทคนิค เช่น การสร้างทู่ไนโตรเจน ได้เพิ่มความน่าเชื่อถืออย่างมาก ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ-ต่ำ (ไครโอเจนิก) ความต้านทานเปิด-และการสูญเสียการสลับของอุปกรณ์ SiC แรงดันไฟฟ้าสูง- เพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งทำให้ไม่เหมาะกับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ-มาก

 

แกลเลียมไนไตรด์ (GaN)

ด้วยแถบความถี่ที่ 3.4 eV ก๊าซอิเล็กตรอนสอง-มิติ (2DEG) ที่เกิดขึ้นจากจุดเชื่อมต่อเฮเทอโรของ AlGaN/GaN มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงถึง 2000 cm ²/V · s ซึ่งมีความต้านทานต่ำมาก และมีความถี่ในการสลับสูงถึง MHz GaN มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านความถี่สูง-และแรงดันไฟฟ้าปานกลาง (<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.

 

เพชร

แถบความถี่กว้างพิเศษ (5.47 eV) สนามไฟฟ้าสลายตามทฤษฎี 20 MV/cm ค่าการนำความร้อน 22 W/cm · K (มากกว่า 5 เท่าของ SiC) ประสิทธิภาพทางทฤษฎีเหนือกว่าวัสดุอื่นๆ มาก และมีรายงานไดโอด Schottky เกือบ 10 kV และค่า Baliga ที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม การเติมชนิด n- นั้นทำได้ยากและต้นทุนวัสดุพิมพ์ก็สูง การจำหน่ายอุปกรณ์พลังงานเพชรในเชิงพาณิชย์อาจต้องใช้เวลา แต่ศักยภาพในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงและอุณหภูมิสูงพิเศษ-นั้นไม่มีใครเทียบได้

 

- แกลเลียมออกไซด์ (Ga ₂ O ∝)

ด้วยแถบความถี่ที่ 4.5-4.9 eV และสนามไฟฟ้าแยกย่อยที่ 8 MV/cm ทำให้สามารถปลูกซับสเตรตผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่-ได้โดยวิธีการหลอมเหลว (เช่น Czochralski) ซึ่งมีต้นทุนการผลิตต่ำ ข้อเสียเปรียบหลักคือค่าการนำความร้อนต่ำมาก (0.1-0.3 W/cm · K) ซึ่งต้องใช้ระบบระบายความร้อนขั้นสูง การเติมสารชนิด P นั้นทำได้ยาก และอุปกรณ์ส่วนใหญ่ก็มีขั้วเดียว เหมาะสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงพิเศษในอนาคต

 

การเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุและความเหมาะสมสำหรับการใช้งาน EV

คุณลักษณะของวัสดุที่แตกต่างกันจะกำหนดสถานการณ์การใช้งานที่เหมาะสมที่สุดในระบบย่อยต่างๆ ของ EV:

• ฉุดอินเวอร์เตอร์ (ไฟฟ้าแรงสูง, ระบบ 800 V+)
• SiC เหมาะสมที่สุด ความสามารถด้านไฟฟ้าแรงสูง ค่าการนำความร้อนสูง และระบบระบายความร้อนแบบธรรมดาได้เข้ามาแทนที่ IGBT ของซิลิคอนอย่างกว้างขวาง ปรับปรุงประสิทธิภาพและยืดอายุแบตเตอรี่
• ที่ชาร์จในรถยนต์ (OBC) และตัวแปลง DC-DC
• กานคือที่สุด การทำงานด้วยความถี่สูงจะช่วยลดปริมาตรของส่วนประกอบแบบพาสซีฟลงอย่างมาก ทำให้มีความหนาแน่นของพลังงาน 3-5 kW/L หรือสูงกว่า ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของยานพาหนะและลดต้นทุน
• การชาร์จแบบไร้สาย (WPT)
• คุณลักษณะความถี่สูง-ของ GaN จะปรับให้เข้ากับตัวแปลงเรโซแนนซ์โดยธรรมชาติซึ่งมีตั้งแต่หลายร้อย kHz ถึง MHz
• สถานการณ์ไฟฟ้าแรงสูงพิเศษในอนาคต (เช่น รถบรรทุกหนัก- ระบบเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้า)
• Diamond และ Ga ₂ O3 มีศักยภาพสูงสุดในการลดความซับซ้อนของโทโพโลยีและลดอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม
• ในแง่ของประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ- GaN และซิลิคอนแสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ในขณะที่ประสิทธิภาพ SiC แรงดันไฟฟ้าสูง-ลดลง และควรเลือกอย่างระมัดระวังตามสถานการณ์การใช้งาน

 

การประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้และอนาคตทางวิศวกรรมของเพชรในตัวแปลงพลังงาน EV ที่มีประสิทธิภาพ

Diamond ถือเป็นวัสดุเจเนอเรชันถัดไปที่เหนือกว่า SiC/GaN เนื่องจากมีแถบความถี่กว้างเป็นพิเศษและมีค่าการนำความร้อนสูงมาก ความท้าทายหลักคือความยากของการเติมชนิด n- (ระดับลึกของฟอสฟอรัส/ไนโตรเจน อัตราการกระตุ้นที่อุณหภูมิห้องต่ำ) และต้นทุนสูงของซับสเตรตผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่- แต่ความก้าวหน้าล่าสุดมีความสำคัญมาก

 

Power Diamond Systems (PDS) ของญี่ปุ่นนำเสนอ-ต้นแบบ MOSFET กำลังเพชรที่ทำงานแบบเรียลไทม์ที่งาน SEMICON Japan 2025 โดยมีแผนจะจัดส่งตัวอย่างสำหรับอินเวอร์เตอร์ EV และดาวเทียมในปีงบประมาณ 2026

Diamfab ของฝรั่งเศสพัฒนาเวเฟอร์เพชรสังเคราะห์ขนาด 4 นิ้วเพื่อสร้างระบบนิเวศเพชรของยุโรป โดยมุ่งเป้าไปที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง โดยคาดว่าจะมีต้นแบบทางอุตสาหกรรมภายในปี 2569

เครื่องต้นแบบ Diamond Foundry Perseus (2023) มีปริมาณการสาธิตที่น้อยกว่าและมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าอินเวอร์เตอร์ Tesla Model 3 ถึง 6 เท่า

ศักยภาพในการบูรณาการระบบ EV

ความแรงของสนามแยกส่วนสูงของเพชรทำให้สามารถเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าแรงสูง-ได้โดยตรง ทำให้โทโพโลยีของตัวแปลงพลังงานง่ายขึ้น และลดจำนวนอุปกรณ์ที่จำเป็น นอกจากนี้ ค่าการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษ-ของเพชรทำให้ระบบทำความเย็นง่ายขึ้น ส่งผลให้ได้รับความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น (สูงกว่าอุปกรณ์ SiC ในปัจจุบันหลายเท่า) Diamond มีการใช้งานที่เป็นไปได้อย่างกว้างขวางในอินเวอร์เตอร์-แรงฉุดแรงดันสูงพิเศษ ที่ชาร์จในรถยนต์ขนาดกะทัดรัดเป็นพิเศษ และระบบที่ทนต่ออุณหภูมิสูง-

 

การจัดการระบายความร้อนและความน่าเชื่อถือ

การนำความร้อนสูงพิเศษ-ของเพชรทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับระบบ EV กำลังสูง- ทำให้สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่จำเป็นต้องระบายความร้อนที่ซับซ้อน เพชรทำงานได้ดีกว่า SiC และ GaN ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิและการแผ่รังสีสูง

 

ข้อสรุปและอนาคต

เซมิคอนดักเตอร์แบบวงกว้างกำลังปรับโฉมภูมิทัศน์อิเล็กทรอนิกส์กำลังของยานพาหนะไฟฟ้า SiC ครองอินเวอร์เตอร์แรงดึงสูง- GaN นำการใช้งาน-ความถี่สูงและความหนาแน่นสูง- ในขณะที่เพชรและ Ga ₂ O3 เป็นตัวแทนของทิศทางในอนาคตของ-สภาพแวดล้อมไฟฟ้าแรงสูงพิเศษและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง การเลือกใช้วัสดุควรพิจารณาระดับแรงดันไฟฟ้า ความถี่ในการสวิตชิ่ง การจัดการระบายความร้อน และต้นทุนอย่างครอบคลุม

 

ความท้าทายหลักในปัจจุบัน ได้แก่: การเพิ่มประสิทธิภาพอินเทอร์เฟซ SiC, ความน่าเชื่อถือของแรงดันไฟฟ้าสูงของ GaN- และปัญหาการเติมและสารตั้งต้นของเพชร/Ga ₂ O3 ด้วยกระบวนการผลิตที่ครบกำหนด อุปกรณ์แถบความถี่กว้างจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ระยะ และความเร็วในการชาร์จของยานพาหนะไฟฟ้า ขณะเดียวกันก็ส่งเสริมนวัตกรรมที่กว้างขวางในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังในสาขากริดไฟฟ้า อุตสาหกรรม และการบิน