發(fā)布時(shí)間：2023-02-22
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在汽車(chē)電動(dòng)化的驅(qū)動(dòng)下，電力電子器件可謂是量?jī)r(jià)齊升。而電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了以晶閘管為核心的第一階段、以MOSFET和IGBT為代表的第二階段，現(xiàn)在正在進(jìn)入以寬禁帶半導(dǎo)體器件為核心的新發(fā)展階段。
而新一代電力電子器件也同時(shí)在推動(dòng)MOSFET和IGBT的發(fā)展，這也帶動(dòng)SiC和GaN等寬禁帶半導(dǎo)體的日益普及。電動(dòng)汽車(chē)則成為了SiC的核心應(yīng)用場(chǎng)景。因此，我們以電動(dòng)汽車(chē)為焦點(diǎn)，和大家一起來(lái)探討SiC在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用趨勢(shì)。
EV的工作原理和優(yōu)勢(shì)
EV是Electric Vehicle的縮寫(xiě)，也稱(chēng)為“電動(dòng)汽車(chē)”。最初是電力驅(qū)動(dòng)的交通工具的總稱(chēng)，但一般情況下僅指汽車(chē)。
EV主要有四大元素
NO.1 將家用交流電源（AC）轉(zhuǎn)換為直流電源（DC）的車(chē)載充電器
NO.2 存儲(chǔ)充電電量用的電池
NO.3 控制來(lái)自電池的電力并將其輸送至電機(jī)的逆變器
NO.4 將接收到的電力轉(zhuǎn)換為動(dòng)力的電機(jī)
傳統(tǒng)的汽車(chē)大多數(shù)配備發(fā)動(dòng)機(jī)，利用燃燒燃料產(chǎn)生的能量來(lái)行駛。而EV則使用電力和電機(jī)來(lái)代替發(fā)動(dòng)機(jī)。
EV的優(yōu)勢(shì)
NO.1 燃料成本低
EV使用電力代替汽油。在夜間充電電費(fèi)更便宜，因此利用夜間充電可以使電費(fèi)低于燃油費(fèi)。
NO.2 環(huán)保
在汽車(chē)中，EV被歸類(lèi)為對(duì)地球環(huán)境友好的“新一代環(huán)保汽車(chē)”之一。由于它不排放任何含有二氧化碳和大氣污染物質(zhì)的廢氣，因而有助于防止全球變暖。
SiC功率元器件是EV的關(guān)鍵
EV的銷(xiāo)量與日俱增，但要想在未來(lái)更加普及，需要解決如何有效使用電力的問(wèn)題，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功率元器件是非常適合“有效轉(zhuǎn)換功率”的電子產(chǎn)品，可用于EV的車(chē)載充電器和電池逆變器中。SiC器件要比Si器件有著更低的導(dǎo)通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓等等。
考慮到未來(lái)電動(dòng)車(chē)需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，在車(chē)用半導(dǎo)體中，SiC將會(huì)是未來(lái)趨勢(shì)，SiC 器件在 EV/HEV 上的應(yīng)用主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車(chē)載DC/DC）、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電系統(tǒng)（OBC）及非車(chē)載充電樁等方面。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為新能源汽車(chē)的“心臟”，直接影響到整車(chē)的能源效率、續(xù)航里程等。對(duì)新能源汽車(chē)整車(chē)使用性能具有較大影響。
在當(dāng)前集成化趨勢(shì)下，電機(jī)+減速器+逆變器集成的“三合一”電驅(qū)動(dòng)模塊將成為市場(chǎng)主流。電驅(qū)動(dòng)集成系統(tǒng)將加速SiC器件在電動(dòng)汽車(chē)中的量產(chǎn)落地。
盡管碳化硅器件成本較高，但它推進(jìn)了電池成本的下降和續(xù)航里程的提升，降低了單車(chē)成本，無(wú)疑是新能源汽車(chē)最佳選擇。其中，SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要應(yīng)用于OBC 與DC/DC，SiC MOSFET主要用于電驅(qū)動(dòng)。
SiC對(duì)主逆變器的影響
主逆變器也就是牽引逆變器，它的作用就是將來(lái)自電池的電能（直流電）進(jìn)行轉(zhuǎn)換以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)引擎（交流電）。因此，逆變器的性能及對(duì)應(yīng)體積、重量將直接影響車(chē)的續(xù)航范圍和可靠性。
目前，電動(dòng)車(chē)中的主驅(qū)逆變器仍以硅基MOSFET和硅基IGBT為主，但隨著新能源汽車(chē)向高集成度、小尺寸、低損耗的系統(tǒng)發(fā)展，SiC 器件將加速滲透。
相比硅基器件，引入碳化硅后，逆變器輸出功率可增至2.5倍，體積縮小1.5倍，功率密度為原有3.6 倍。
SiC對(duì)車(chē)載充電機(jī)(OBC)的影響
車(chē)載充電機(jī)(OBC)為電動(dòng)汽車(chē)(EV)的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，并決定了充電功率和效率的關(guān)鍵部件。通過(guò)使用車(chē)載充電器可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電。
此外，雙向逆變技術(shù)是未來(lái)OBC標(biāo)配的功能之一，使OBC不僅可將AC轉(zhuǎn)化為DC為電池充電，同時(shí)也可將電池的DC轉(zhuǎn)化為AC對(duì)外進(jìn)行功率輸出；將OBC及DC/DC等器件進(jìn)行功能集成化將會(huì)提高成本上、體積上的優(yōu)勢(shì)。
SiC二極管及MOSFET器件則可用于車(chē)載充電機(jī)PFC和DC-DC次級(jí)整流環(huán)節(jié)，推動(dòng)車(chē)載充電機(jī)向雙向充放電、集成化、智能化、小型化、輕量化、高效率化等方向發(fā)展。
* 以22kW雙向OBC為例，SiC系統(tǒng)成本與Si相比，減少了15%；同時(shí)能量密度是Si系統(tǒng)的1.5 倍，通過(guò)減少能耗每年可減少單位成本40美元左右。
SiC對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器的影響
電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)DC/DC 是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)高壓電池和低壓電瓶之間的功率轉(zhuǎn)換。隨著整車(chē)智能化、電氣化的發(fā)展，對(duì)DC/DC 的供電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，為氫能汽車(chē)燃料電池 DC/DC 變換器帶來(lái)革命性的創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和更低的損耗，從而實(shí)現(xiàn)了更快的充電速度。
相比傳統(tǒng)基于 IGBT 模塊變換器產(chǎn)品，SiC 基功率器件開(kāi)關(guān)頻率提升4 倍以上、功率密度提升3 倍以上，系統(tǒng)平均效率大于97%，最高效率可達(dá)99%。
在新能源汽車(chē)上，硅基功率器件具備成本優(yōu)勢(shì)，也仍將占據(jù)一定市場(chǎng)份額，并與寬禁帶半導(dǎo)體器件長(zhǎng)期并存。
未來(lái)，硅基IGBT模塊及SiC模塊也將成為新能源汽車(chē)半導(dǎo)體中的主要應(yīng)用形式。相對(duì)于硅基器件，SiC功率半導(dǎo)體在高工藝、高性能與成本間的平衡，將成為SiC功率器件真正大規(guī)模落地的關(guān)鍵核心點(diǎn)。
注：文字轉(zhuǎn)載至碳化硅研習(xí)社，僅作轉(zhuǎn)載分享。
