ชิปซิลิคอนคาร์ไบด์เปลี่ยนอะไรในรถยนต์ไฟฟ้า?

ชิป SiC ทำการสวิตช์ในอินเวอร์เตอร์ของรถยนต์ไฟฟ้าด้วยการสูญเสียที่ต่ำกว่า IGBT มาก; ซึ่งช่วยเพิ่มระยะทางโดยทั่วไป 3-10% ลดเวลาชาร์จในรถที่ใช้สถาปัตยกรรม 800 โวลต์ และทำให้ระบบระบายความร้อนเล็กลง หน้านี้อธิบายว่าการเปลี่ยนผ่านไปใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เปลี่ยนแปลงอะไร ทำไม และในสัดส่วนเท่าใด

แทร็กชันอินเวอร์เตอร์: ชุดสารกึ่งตัวนำที่สำคัญที่สุดของยานพาหนะ

แทร็กชันอินเวอร์เตอร์คือหน่วยที่แปลงกระแสตรงจากแบตเตอรี่แรงดันสูงให้เป็นกระแสสลับที่มอเตอร์ไฟฟ้าต้องการเพื่อหมุน แรงบิด ความเร็วรอบ และประสิทธิภาพของมอเตอร์ถูกกำหนดโดยว่าการแปลงนี้เกิดขึ้นด้วยการสูญเสียเพียงเท่าใด; ด้วยเหตุนี้ อินเวอร์เตอร์จึงเป็นจุดทำงานหนักที่สุดของอิเล็กทรอนิกส์กำลังในยานพาหนะ สวิตช์กำลังที่เปิดและปิดหลายพันครั้งต่อวินาทีทำการแปลงนี้ และการสูญเสียพลังงานเกิดขึ้นในทุกครั้งที่สวิตช์เหล่านี้เปิดและปิด

เป็นเวลาหลายปีที่วงจร IGBT เป็นวิธีแก้ปัญหามาตรฐานสำหรับสวิตช์เหล่านี้: สวิตช์ที่มีฐานซิลิกอนแบบหนา ทนทาน และราคาถูก แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตำแหน่งบนโต๊ะสวิตช์กำลังถูกแทนที่ด้วย MOSFET ที่ใช้ฐานซิลิกอนคาร์ไบด์ ในปี 2023 รุ่นที่ใช้อินเวอร์เตอร์ SiC คิดเป็นประมาณ 28% ของตลาดรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ล้วน; Kia EV6, Hyundai Ioniq 5 และ Ioniq 6 รุ่นบางรุ่นของ Porsche และ Tesla Model 3 อยู่ในบรรดาตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่นำการเปลี่ยนผ่านนี้ไปใช้ ส่วน Toyota ได้ข้ามเส้นแบ่งที่คล้ายกันในฝั่งรถไฮบริด: ในรุ่นใหม่ของ RAV4 บริษัทได้ใช้สารกึ่งตัวนำกำลัง SiC เป็นครั้งแรกในระบบไฮบริด

ความแตกต่างทางกายภาพระหว่าง IGBT กับ SiC MOSFET คืออะไร?

ความแตกต่างของสวิตช์ทั้งสองเริ่มต้นจากคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุ แบนด์แก็ปของซิลิกอนอยู่ที่ประมาณ 1.1 eV; ในขณะที่ซิลิกอนคาร์ไบด์เป็นสารกึ่งตัวนำแบนด์แก็ปกว้างที่ 3.26 eV ช่องว่างพลังงานที่กว้างกว่านี้หมายความว่า SiC สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพที่แรงดันสูงกว่า อุณหภูมิสูงกว่า และความถี่ในการสวิตช์สูงกว่า ในเชิงตัวเลข ความแตกต่างก็เป็นรูปธรรม: สำหรับความต้านทานการนำไฟฟ้าที่เท่ากัน SiC ให้พื้นที่ชิปที่เล็กกว่าซิลิกอน 626 เท่า ชั้นดริฟต์บางกว่า 11 เท่า และความต้านทานความร้อนต่ำกว่า 17 เท่า

ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดปรากฏขึ้นในช่วงที่สวิตช์ปิด IGBT สร้าง "กระแสหาง" ขึ้นตามโครงสร้างเมื่อออกจากการนำไฟฟ้า: หลังจากสวิตช์ปิดแล้ว กระแสยังคงไหลต่อไปอีกระยะหนึ่งสั้นๆ และพลังงานนี้จะกลายเป็นความร้อน โครงสร้างของ SiC MOSFET ไม่ก่อให้เกิดกระแสหางเลย ในตัวอย่างอินเวอร์เตอร์เฟสเดียว เมื่อเปลี่ยนจาก IGBT เป็น SiC MOSFET ความสูญเสียตอนปิดลดลงจาก 6.9 W เหลือ 1.5 W ความสูญเสียรวมลดลงจาก 14.4 W เหลือ 8.5 W หรือลดลงประมาณ 41% งานวิจัยที่ผ่านการประเมินโดยผู้ทรงคุณวุฒิในปี 2024 ยืนยันว่าความสูญเสียในการนำกระแสและการสวิตช์เมื่อเทียบกับ IGBT สามารถลดลงได้ถึง 60%

ยังต้องบวกความสูญเสียจากไซด์แชนแนลเข้าไปอีก โซลูชัน IGBT จำเป็นต้องใช้ไดโอดต่อขนานกลับเสมอ และความสูญเสียการฟื้นตัวย้อนของไดโอดนี้มีขนาดใหญ่พอสมควร: ในการเปรียบเทียบเดียวกัน ความสูญเสียนี้ลดลงจาก 91.1 W เหลือ 6.4 W ส่วนไดโอดตัวเนื้อของ SiC MOSFET นั้นเร็วและทนทานเพียงพออยู่แล้ว จึงไม่จำเป็นต้องใช้ไดโอดแยกต่างหาก

เพิ่มระยะทางให้จริงกี่กิโลเมตร?

มีช่วงห่างอย่างมากระหว่างคำแถลงของผู้ผลิตกับข้อมูลการจำลอง และการเข้าใจช่วงห่างนี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการอ่านข้ออ้างต่าง ๆ อย่างถูกต้อง ขั้วที่อนุรักษ์นิยมมาจากการจำลองอินเวอร์เตอร์แรงขับ 80 kW ที่ทำงานภายใต้ภาระเต็มที่: โซลูชัน SiC แสดงความสูญเสียต่ำกว่า 70% ภายใต้ภาระเต็มที่และประสิทธิภาพสูงกว่าอย่างน้อย 1.4% เมื่อเทียบกับ IGBT เมื่อลดลงไปที่จุดทำงานเฉลี่ยของยานยนต์ไฟฟ้า คือภาระ 15% ความต่างเพิ่มขึ้นเป็น 3.4% สาเหตุที่ข้อได้เปรียบเติบโตขึ้นภายใต้ภาระบางส่วนก็เป็นที่ทราบแล้ว: กำไรของ SiC นั้นชัดเจนที่กระแสต่ำกว่าประมาณ 700 A ส่วนที่สูงกว่านั้น IGBT ยังคงแข่งขันได้ เนื่องจากการขับขี่ในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่ผ่านไปในช่วงภาระบางส่วนพอดี การมีส่วนร่วมจริงของ SiC จึงมีความหมายมากกว่าที่ข้อมูลประสิทธิภาพสูงสุดบ่งชี้

การรายงานกำไรระยะทางในระดับระบบมาอยู่ในช่วงดังนี้:

• กำไรด้านประสิทธิภาพ 3–5% ในรอบการขับขี่ทั่วไป (คำแถลงในสิทธิบัตรของผู้ผลิตยานยนต์รายหนึ่ง)
• เพิ่มขึ้นถึง 6% ในด้านระยะทาง (การประเมินของซัพพลายเออร์สารกึ่งตัวนำรายใหญ่รายหนึ่ง)
• ระยะทางเพิ่มเติม 5–10% ในรอบการขับขี่มาตรฐาน (การคาดการณ์ของผู้ผลิตอีกรายหนึ่ง)
• ระยะทางเพิ่มขึ้นมากกว่า 7% (ข้อมูลการเปิดตัวของอินเวอร์เตอร์ SiC ขนาดกะทัดรัด 800 V)

ข้ออ้างอย่างเช่นระยะทาง 10–15% และ "ชาร์จเร็วขึ้นสองเท่า" ที่ผู้ผลิตบางครั้งเอ่ยถึง ควรถูกอ่านในระดับการตลาด ข้อมูลการจำลองและสิทธิบัตรที่วัดได้วาดภาพที่ระมัดระวังกว่า อย่างไรก็ตาม ภาพนั้นชัดเจน: ช่วง 3–7% คือการเพิ่มระยะทางอย่างมีนัยสำคัญที่ได้มาโดยไม่แตะต้องปริมาตรแบตเตอรี่เลย กำไรนี้ยังเปลี่ยนเป็นการได้ระยะทางเท่าเดิมด้วยแบตเตอรี่ที่เล็กลงได้อีกด้วย: รุ่นที่ใช้ SiC สามารถทำระยะทางเท่ากับรถที่ใช้ IGBT ขนาด 85 kWh ได้ด้วย 82.1 kWh ด้วยต้นทุนแบตเตอรี่ 150 ดอลลาร์ต่อ kWh นั่นหมายถึงการประหยัดประมาณ 435 ดอลลาร์

ทำไมยานยนต์ 800 โวลต์ถึงต้องใช้ SiC?

การเปลี่ยนจาก 400 V เป็น 800 V เป็นการอัปเกรดตามธรรมชาติของระบบแบตเตอรี่: กำลังชาร์จที่กระแสเท่ากันเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า และการชาร์จเร็ว DC สูงถึง 350 kW กลายเป็นไปได้ ปัญหาอยู่ตรงนี้: IGBT และ MOSFET ซิลิคอนจะเสียประสิทธิภาพในช่วงแรงดันสูงพอดีนี้ นี่คือเหตุผลทางเทคนิคที่ทำให้ SiC กลายเป็นมาตรฐานโดยพฤตินัยในยานยนต์ 800 โวลต์ วัสดุนี้ถูกออกแบบมาสำหรับแรงดันสูง อุณหภูมิสูง และความถี่สูงอยู่แล้ว อินเวอร์เตอร์ SiC 800 โวลต์ของผู้ผลิตรายหนึ่งมีน้ำหนักเบากว่า IGBT เทียบเท่าอยู่ 40% และกะทัดรัดกว่า 30% ผู้จัดการทีมวิศวกรรมชุดเดียวกันระบุว่า ระบบ 800 โวลต์ช่วยเพิ่มระยะทางวิ่งอย่างชัดเจนและลดเวลาชาร์จลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับระบบ 400 โวลต์

ระบบ 800 โวลต์ช่วยเพิ่มระยะทางวิ่งอย่างชัดเจนและลดเวลาชาร์จลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับระบบ 400 โวลต์

เป้าหมายความเร็วนี้ก็มีราคาต้องจ่ายเช่นกัน: การชาร์จ 350 kW สร้างภาระความร้อนสูงพร้อมกันทั้งในแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ และต้องการให้ออกแบบระบบระบายความร้อนทั้งหมดของยานพาหนะใหม่ในสมดุลใหม่นี้ โชคดีที่การสูญเสียต่ำของ SiC ช่วยบรรเทาปลายทางของงานส่วนนี้ได้ด้วย: ในการจำลอง 80 kW ชุดเดิม อินเวอร์เตอร์ SiC ต้องระบายความร้อนเพียง 61% ของความร้อนที่เวอร์ชัน IGBT ผลิตออกมาในภาระสูงสุด และพื้นที่เซมิคอนดักเตอร์ลดลงจาก 270 mm² เหลือ 78 mm² คำนวณได้ว่าระบบระบายความร้อนสามารถย่อขนาดลงได้ 40% ความร้อนสูญเปล่าน้อยลง ตัวระบายความร้อนเล็กลง อิเล็กทรอนิกส์กำลังกะทัดรัดขึ้น: ห่วงโซ่ปิดลงด้วยวิธีนี้

สองด้านของการจัดการความร้อน: ตัวระบายความร้อนที่เล็กลง กับปัญหาที่ไม่คาดคิด

MOSFET แบบ SiC สามารถทำงานได้จนถึงอุณหภูมิรอยต่อ 200 °C ขณะที่ซิลิคอนแทบไม่สามารถเข้าสู่ช่วงนี้ได้เนื่องจากกระแสรั่วที่สูงกว่าประมาณ 250 °C การแกว่งตัวของอุณหภูมิ (ΔTj) ที่ต่ำลงตลอดช่วงภาระ ส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือ: สวิตช์ถูกกดดันน้อยลงในทุกรอบความร้อน อายุการใช้งานจึงยาวนานขึ้น ด้วยการสูญเสียที่ลดลง ความต้องการระบายความร้อนของอินเวอร์เตอร์ SiC จึงง่ายขึ้นและชิ้นส่วนแบบพาสซีฟก็เล็กลงด้วย ความถี่ในการสวิตช์ที่สูงช่วยลดขนาดของขดลวดและตัวเก็บประจุ ทำให้อัลกอริทึมการควบคุมง่ายขึ้นและลดฮาร์มอนิก

อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติเดียวกันนี้ก็ก่อให้เกิดปัญหาทางวิศวกรรมที่ไม่คาดคิด อินเวอร์เตอร์ SiC ผลิตความร้อนสูญเปล่าได้น้อยเพียงกว่าที่มันแทบไม่สามารถตอบสนองความร้อนที่จำเป็นสำหรับการให้ความร้อนแก่แบตเตอรี่ในภูมิอากาศเย็นได้ การเตรียมแบตเตอรี่ล่วงหน้าเป็นหนึ่งในศัตรูที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของระยะทางวิ่งที่อุณหภูมิต่ำ และการทำให้แบตเตอรี่ไปถึงอุณหภูมิใช้งานอย่างรวดเร็วในฤดูหนาวเป็นเรื่องสำคัญ เนื่องจากการสูญเสียที่ลดลงทำให้แหล่งความร้อนสำหรับงานนี้ไม่เพียงพอ ผู้ผลิตยานยนต์จึงต้องพัฒนากลยุทธ์การควบคุมใหม่ ปัญหานี้ถูกบันทึกไว้อย่างชัดเจนในสิทธิบัตรของผู้ผลิตรายใหญ่ชาวเยอรมันในปี 2024 เป็นตัวอย่างที่หาได้ยากแต่ให้บทเรียน ที่ประสิทธิภาพในตัวมันเองก่อให้เกิดปัญหาการออกแบบทางความร้อน

ทำไมทุกยานพาหนะจึงยังไม่เปลี่ยนไปใช้ SiC?

คำตอบมีเพียงคำเดียว: ต้นทุน ปัจจุบัน MOSFET แบบ SiC มีราคาขายเป็น 4-4.5 เท่า ของ IGBT คาดว่าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าตัวคูณนี้จะลดลงเหลือ 2.5 เท่า เมื่อปริมาณการผลิตเพิ่มขึ้นและความต้านทานต่อชิปดีขึ้น จุดทำงานกระแสสูง IGBT ยังคงรักษาข้อได้เปรียบด้านต้นทุนต่อแอมแปร์ไว้ได้ นั่นคือหมวดเดียวที่ SiC แพ้ให้กับซิลิคอน ด้วยเหตุนี้จึงเกิดทางแก้กึ่งกลางที่น่าสนใจขึ้นในอุตสาหกรรม: อินเวอร์เตอร์แบบไฮบริด สิทธิบัตรของผู้ผลิตรถยนต์รายหนึ่งที่เผยแพร่ในปี 2026 ระบุสถาปัตยกรรมที่มีทั้งซิลิคอน IGBT และ SiC MOSFET ในขาเฟสเดียว เมื่อกระแสเกินค่าเกณฑ์ที่กำหนด ตัวควบคุมจะเป็นผู้กำหนดว่าสวิตช์ตัวใดจะทำงาน ที่โหลดบางส่วนใช้การสูญเสียต่ำของ SiC ที่กระแสสูงใช้แรงดันอิ่มตัวต่ำของ IGBT เข้ามาทำงาน การควบคุมไฮบริดแบบสามโหมดที่คล้ายกันก็ถูกเสนอผ่านสิทธิบัตรเชิงวิชาการเช่นกัน: ที่โหลดสูงใช้เฉพาะ IGBT ที่โหลดต่ำใช้เฉพาะ SiC และที่ความเร็วคงที่ใช้ทั้งสองร่วมกัน แนวทางเหล่านี้มุ่งจับข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพส่วนใหญ่ของ SiC ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า

ในทางกลับกัน ทิศทางของตลาดก็ชัดเจน ตลาดอินเวอร์เตอร์กำลังของ EV คาดว่าจะเติบโตจาก 8.97 พันล้าน ดอลลาร์ในปี 2025 เป็น 10.67 พันล้าน ดอลลาร์ในปี 2026 และแตะ 25.41 พันล้าน ดอลลาร์ภายในปี 2035 และยังมีการแข่งขันด้านเทคโนโลยีอยู่บนขอบฟ้าอีกด้วย: GaN HEMT ถูกชี้ว่าเป็นเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำที่อาจก่อกวนลำดับถัดไปของยานยนต์ไฟฟ้า ดังนั้น SiC จึงไม่ใช่จุดหมายปลายทาง แต่เป็นช่วงหนึ่งที่กำลังเร่งความเร็วของอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

ข้อสรุปเชิงปฏิบัติสำหรับผู้ซื้อ

ชิป SiC ไม่ใช่ฟีเจอร์ที่โดดเด่นอยู่หน้าโชว์รูมรถ แต่มันเปลี่ยนสามสิ่งที่จับต้องได้ซึ่งมีผลต่อการตัดสินใจซื้อ: ระยะทางที่มากขึ้น 3-10% ด้วยแบตเตอรี่เดิม ความเร็วในการชาร์จที่เข้าใกล้ 350 kW เมื่อใช้สถาปัตยกรรม 800 V และอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่กะทัดรัดกว่าและทำงานเย็นกว่า เมื่อเปรียบเทียบรถ การดูว่ารถใช้ระบบ 400 V หรือ 800 V และอินเวอร์เตอร์ใช้สารกึ่งตัวนำชนิดใด ถือเป็นวิธีวัดที่เร็วที่สุดในการทำความเข้าใจว่าตัวเลขในแคตตาล็อกชี้ไปที่ระบบส่งกำลังที่มีประสิทธิภาพจริงแค่ไหน อินเวอร์เตอร์ที่ใช้ SiC จะแปลงพลังงานจากกิโลวัตต์-ชั่วโมงทุกหน่วยในแบตเตอรี่ไปสู่ถนนได้มากกว่า - และในวิศวกรรมยานยนต์ไฟฟ้า ผลกำไรก็มาจากผลรวมของเปอร์เซ็นต์เล็ก ๆ น้อย ๆ เหล่านี้

แหล่งอ้างอิง

• What are the merits of using SiC MOSFETs?
• Why SiC MOSFETs are Replacing Si IGBTs in EV Inverters
• How SiC Can Boost Efficiency and Reduce Costs in Power Electronics
• SiC Replacing IGBT in EV Traction Inverters
• Comparison of Power Loss in SiC-MOSFET and Si-IGBT
• Silicon carbide (SiC) inverter extends EV range by over 7%
• At the heart of electric vehicles: silicon carbide
• Delivering on the EV Range Extension Promise of SiC in Electric Vehicles
• Moving targets: How improvements to SiC, GaN power electronics redefine EV
• Commercial EVs 800V Architecture & SiC Inverters Explained
• Silicon Carbide Power Semiconductors Enter Full-Scale Adoption
• The Emerging Adoption and Future Trends of SiC and GaN in EVs
• Electric Vehicle Power Inverter Market