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汽车 SiC 功率半导体势不可挡

返回列表来源:柏艾斯 发布日期:2020-09-30 09:40:13浏览:-查看手机网址
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近日,DIGITIMES Research给出了一组数据:预计到2025年,电动汽车用碳化硅(SiC)功率半导体将占SiC功率半导体总市场的37%以上,高于2021年的25%。


 SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一,令其成为新能源汽车的理想选择。与传统解决方案相比,基于SiC的解决方案使系统效率更高、重量更轻,且结构更紧凑。


 在电动汽车中,SiC功率半导体主要用于驱动和控制电机的逆变器、车载充电器和快速充电桩。对于逆变器而言,800V高压运行架构下的SiC功率半导体比传统硅器件的整体系统效率高8%。SiC功率半导体也使得散热系统设计更简单,机电结构的空间更小。对于车载充电和快速充电桩,SiC功率半导体与传统硅器件相比,在充电过程中减少了能量损失,也减少了所需的电容和电感的数量。 


SiC比硅更薄、更轻、更小巧,市场应用领域偏向1000V以上的中高压范围。车用半导体中,SiC是未来趋势,目前,xEV车中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD为主,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,SiC基MOSFET将是大势所趋。SiC有望提高3%-5%的逆变器效率,从而降低电池成本。


 SiC行业龙头Cree预计到2022年,SiC在电动车用市场空间将快速增长到24亿美元,是2017年车用SiC整体收入(700万美元)的342倍。 


目前来看,车用功率半导体器件中,仍以硅基IGBT为主,而SiC基MOSFET代表着未来,因为它性能更强,但目前推广的最大障碍就是高成本。然而,随着整车动力电池包越来越大、电机最大功率/峰值扭矩越来越高,SiC基MOSFET的优势就越显著。


 要想充分发挥MOSFET的优势,就需要控制承压层深度和掺杂浓度等技术参数,以获得更高的工作电压、最大功率和综合效率。目前,SiC基MOSFET系统的综合效率(以逆变器效率计算)约为98%,在应用层面,SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征优势。


 SiC 应用到电动汽车的逆变器、OBC、DC/DC时,更低的阻抗可带来更小的尺寸,更高的工作频率可以有效降低电感、电容等元器件的尺寸,且更耐高温,可以减小冷却系统的尺寸,最终带来的是系统级的体积缩小和成本的降低。


 车用SiC器件 


SiC用在车用逆变器上,能够大幅度降低逆变器尺寸和重量,做到轻量化与节能。在相同功率等级下,全SiC模块的封装尺寸显著小于硅模块,同时也可以使开关损耗降低75%(芯片温度为150° C)。在相同封装下,全SiC模块具备更高的电流输出能力,支持逆变器达到更高功率。


 特斯拉的Model 3采用了意法半导体和英飞凌的SiC逆变器,是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017年12月,罗姆为VENTURI车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E”锦标赛中提供了采用全SiC功率模块制造的逆变器,使逆变器尺寸下降了43%,重量减轻了6kg。


 逆变器已经开始使用IGBT+SiC SBD的混合方案,预计全SiC的逆变器将从2023年开始在主流豪华车品牌中量产。


 据Cree测算,SiC逆变器能够提升5-10%的续航,节省400-800美元的电池成本(80kWh电池、102美元/kWh),与新增200美元的SiC器件成本抵消后,能够实现至少 200美元的单车成本下降。据罗姆测算,到2026年,几乎所有搭载800V动力电池的车型采用SiC方案都将更具成本优势。


 此外,车载OBC和DC/DC,已经开始采用SiC器件,比如PFC电路中二极管切换改为了SiC SBD,或者将OBC的DC/DC原边电路MOSFET管改为SiC MOSFET。全SiC方案也有望从 2021年开始量产。


 新能源车的功率控制单元(PCU)是汽车电驱系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向和传递速度,传统PCU使用硅基材料制成,强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源,而使用SiC则可大大降低这一过程中的能量损失。 


将传统PCU配备的硅二极管换成SiC二极管,硅IGBT换成SiC MOSFET,就可以降低10%的总能量损耗,同时也可以大幅降低器件尺寸,使车辆更为紧凑。


 SiC功率器件也在加速融入车载充电器领域,已有多家厂商推出了面向HEV/EV等电动汽车充电器的SiC功率器件。据Yole统计,这一市场在2023年之前可保持44%的增长速度。


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