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碳化硅SiC在电动汽车上的应用趋势
发布时间:2023-02-22
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在汽车电动化的驱动下,电力电子器件可谓是量价齐升。而电力电子器件的发展经历了以晶闸管为核心的第一阶段、以MOSFET和IGBT为代表的第二阶段,现在正在进入以宽禁带半导体器件为核心的新发展阶段。


而新一代电力电子器件也同时在推动MOSFET和IGBT的发展,这也带动SiC和GaN等宽禁带半导体的日益普及。电动汽车则成为了SiC的核心应用场景。因此,我们以电动汽车为焦点,和大家一起来探讨SiC在电动汽车中的应用趋势。


EV的工作原理和优势


EV是Electric Vehicle的缩写,也称为“电动汽车”。最初是电力驱动的交通工具的总称,但一般情况下仅指汽车。



EV主要有四大元素


NO.1 将家用交流电源(AC)转换为直流电源(DC)的车载充电器


NO.2 存储充电电量用的电池


NO.3 控制来自电池的电力并将其输送至电机的逆变器


NO.4 将接收到的电力转换为动力的电机


传统的汽车大多数配备发动机,利用燃烧燃料产生的能量来行驶。而EV则使用电力和电机来代替发动机。


EV的优势


NO.1  燃料成本低


EV使用电力代替汽油。在夜间充电电费更便宜,因此利用夜间充电可以使电费低于燃油费。


NO.2  环保


在汽车中,EV被归类为对地球环境友好的“新一代环保汽车”之一。由于它不排放任何含有二氧化碳和大气污染物质的废气,因而有助于防止全球变暖。


SiC功率元器件是EV的关键


EV的销量与日俱增,但要想在未来更加普及,需要解决如何有效使用电力的问题,就是用Si(硅)和C(碳)化合后的SiC(碳化硅)制造而成的“SiC功率元器件”。


SiC功率元器件是非常适合“有效转换功率”的电子产品,可用于EV的车载充电器和电池逆变器中。SiC器件要比Si器件有着更低的导通损耗、更高的工作频率和更高的工作电压等等。


考虑到未来电动车需要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量,在车用半导体中,SiC将会是未来趋势,SiC 器件在 EV/HEV 上的应用主要包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统(车载DC/DC)、电动汽车车载充电系统(OBC)及非车载充电桩等方面。



电驱动系统作为新能源汽车的“心脏”,直接影响到整车的能源效率、续航里程等。对新能源汽车整车使用性能具有较大影响。


在当前集成化趋势下,电机+减速器+逆变器集成的“三合一”电驱动模块将成为市场主流。电驱动集成系统将加速SiC器件在电动汽车中的量产落地。


尽管碳化硅器件成本较高,但它推进了电池成本的下降和续航里程的提升,降低了单车成本,无疑是新能源汽车最佳选择。其中,SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要应用于OBC 与DC/DC,SiC MOSFET主要用于电驱动。


SiC对主逆变器的影响


主逆变器也就是牵引逆变器,它的作用就是将来自电池的电能(直流电)进行转换以驱动电动引擎(交流电)。因此,逆变器的性能及对应体积、重量将直接影响车的续航范围和可靠性。


目前,电动车中的主驱逆变器仍以硅基MOSFET和硅基IGBT为主,但随着新能源汽车向高集成度、小尺寸、低损耗的系统发展,SiC 器件将加速渗透。


相比硅基器件,引入碳化硅后,逆变器输出功率可增至2.5倍,体积缩小1.5倍,功率密度为原有3.6 倍。


SiC对车载充电机(OBC)的影响


车载充电机(OBC)为电动汽车(EV)的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电的关键功能,并决定了充电功率和效率的关键部件。通过使用车载充电器可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行充电。


此外,双向逆变技术是未来OBC标配的功能之一,使OBC不仅可将AC转化为DC为电池充电,同时也可将电池的DC转化为AC对外进行功率输出;将OBC及DC/DC等器件进行功能集成化将会提高成本上、体积上的优势。


SiC二极管及MOSFET器件则可用于车载充电机PFC和DC-DC次级整流环节,推动车载充电机向双向充放电、集成化、智能化、小型化、轻量化、高效率化等方向发展。


* 以22kW双向OBC为例,SiC系统成本与Si相比,减少了15%;同时能量密度是Si系统的1.5 倍,通过减少能耗每年可减少单位成本40美元左右。


SiC对DC/DC转换器的影响


电源转换系统DC/DC 是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器,实现车内高压电池和低压电瓶之间的功率转换。随着整车智能化、电气化的发展,对DC/DC 的供电功率及安全性提出了更高的要求。


值得一提的是,基于碳化硅研制的功率器件,为氢能汽车燃料电池 DC/DC 变换器带来革命性的创新。实现了系统的小型化和更低的损耗,从而实现了更快的充电速度。


相比传统基于 IGBT 模块变换器产品,SiC 基功率器件开关频率提升4 倍以上、功率密度提升3 倍以上,系统平均效率大于97%,最高效率可达99%。


在新能源汽车上,硅基功率器件具备成本优势,也仍将占据一定市场份额,并与宽禁带半导体器件长期并存。


未来,硅基IGBT模块及SiC模块也将成为新能源汽车半导体中的主要应用形式。相对于硅基器件,SiC功率半导体在高工艺、高性能与成本间的平衡,将成为SiC功率器件真正大规模落地的关键核心点。



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