據外媒報道，生物物理經濟研究所（BPEI）與Hedgerow Analysis咨詢公司達成合作，以代表碳化硅技術領軍企業Wolfspeed，評估碳化硅芯片在電動汽車應用中的實施情況。BPEI是一家致力于將自然科學納入經濟分析和決策的非營利性組織，旨在將能源效率分析納入不同策略評估中，以減少對化石燃料的依賴。

 

 
（圖片來源：BPEI）

 

具體來說，該研究評估比較碳化硅（SiC）金屬有機半導體場效應晶體管（MOSFET）與硅基絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的凈能量回報（net energy return）。BPEI表示，SiC微芯片是能源效率測試的重要案例。與傳統芯片相比，將兩種晶體結構結合至一種化合物中，可以產生獨特的性能。而SiC有望在一眾潛在應用中提高能源效率。然而，生產SiC芯片的能耗比硅芯片大，這就留下了一個問題，即從長遠來看，哪一種技術能提高能源效率。

 

這項研究使用了BPEI專有的能源投資節能（ESOI）指標，該指標定義為產品生命周期內節約的能量與生產該產品所需的增量能量之比。ESOI通過量化“能源投資的生命周期能量回報”，對替代節能技術逐一進行比較。可以通過增加分子（使用產品所節省的能量）或降低分母（制造產品所需的邊際能量），來實現ESOI最大化。

 

BPEI首先評估制造碳化硅與傳統硅芯片所需的能源，然后評估電動汽車使用每種芯片，在使用壽命期內的能耗。該分析利用SimaPro軟件，對每個設備生產過程中的每一次重要能量輸入及相關的 CO2當量排放進行量化。

 

評估每種電動汽車的能耗，需要在選定測試周期中對車輛效率進行技術建模，例如全球統一輕型車輛測試循環（WLTC），以及關于不同車輛使用情況的其他模型。建模時將車輛的特定參數考慮在內，如重量和阻力。該ESOI分析量化硅和碳化硅芯片驅動車輛整個生命周期內的數千次環境和能源流動，涉及數十次能源生產和消耗模型迭代，并支持統計分析。

 

這項研究估計，對于預計使用壽命超過 20萬英里的個人電動汽車，將硅IGBT替換為碳化硅MOSFET所節省的能源，比生產這些碳化硅器件所需的增量能量要大很多倍。

 

對典型的個人電動轎車而言，400V SiC汽車應用的ESOI約為7：1（400V碳化硅MOSFET vs.400V硅IGBT）；800V實施案例約為13：1（800V碳化硅MOSFET vs. 400V硅IGBT）。這比400V的碳化硅MOSFET增加了85%，因為芯片表面積減少，相應的能量投入也減少了。

 

對于車隊車輛（如出租車和送貨車）來說，ESOI的收益甚至更大，這些車輛的占空比（duty cycles）更高，預計使用里程為50萬英里。

 

該分析還強調，基于制造中心智能選址，有望節省大量燃料。WolfSpeed在紐約州北部的運營設施，通過水力發電來提供充足的清潔能源，通過減少發電所需的一次性化石能源，以及CO2排放，有可能將SIC技術的ESOI提高28%。

 

Wolfspeed首席技術官John Palmour表示：“我們相信下一代功率半導體技術將由碳化硅驅動。這些研究結果凸顯碳化硅的優越性，以及采用更加節能的技術，對減少碳排放的直接影響，這將對環境產生積極影響。隨著世界向更可持續的未來發展，需要高效材料為其提供動力。”