800V平臺多合一驅動控制器對磁元件的要求

當前SiC單管器件價格已經(jīng)比較親民，在多合一電機驅動控制器已逐步具備商用價值，如OBC、DCDC等對晶圓面積要求不高的場景已逐步批量上車，對磁元件而言，將提出哪些新的要求?面臨哪些技術難點?磁元件企業(yè)是否已經(jīng)做好準備?

2023年11月24日，2023’(第三屆)中國電子熱點解決方案創(chuàng)新峰會(以下簡稱“電子峰會”)落下帷幕。

本屆電子峰會以“聚焦新能源，蓄勢謀新篇”為主題，眾多行業(yè)大咖聚焦800V高壓超充&光儲逆變器技術創(chuàng)新論壇、鋰電BMS技術創(chuàng)新論壇、數(shù)字電源& 5G基站電源技術創(chuàng)新論壇三大熱門主題開展前沿探討與技術分享，本文節(jié)選自億率動力產(chǎn)品副總裁唐志《持續(xù)創(chuàng)新的充電與驅動技術助力電動車快速發(fā)展》和小鵬汽車功率電子總監(jiān)陳皓《高性能800V碳化硅逆變器開發(fā)》相關主題演講及采訪，共同探討電機驅動控制器未來發(fā)展趨勢及對磁元件的要求。

首先，我們先簡單看兩款億率動力提到的多合一電機驅動控制器~

產(chǎn)品一：雙逆變多合一電機驅動控制器

電機驅動、直流充電、交流充電三合一電機驅動控制器，采用雙逆變器+開繞組電機，在現(xiàn)有400V核心零部件的條件下，實現(xiàn)800V高壓的動力輸出和大功率高壓快充，并具備雙向OBC，可靠性高且成本低，目前已完成初步臺架測試，正與主機廠進行裝機聯(lián)調。

雙逆變多合一電機驅動控制器，圖片來源：億率動力

億率動力這款三合一電機驅動控制器設計思路是由兩個400V 電池包對兩個逆變器進行供電，驅動開繞組電機，雙逆變器帶來的好處就是可以不用SiC器件，采用普通 650 V/700 V的IGBT模塊即可搭建800 V系統(tǒng)，在現(xiàn)有系統(tǒng)中小幅改動即可實現(xiàn) 800 V高壓動力輸出和大功率高壓快充，同時舍棄了傳統(tǒng)的隔離OBC，采用AC Changing Port減少元器件用量，縮小產(chǎn)品體積，從而節(jié)省整體系統(tǒng)成本。

目前，SiC器件，尤其是SiC模塊成本較高，而這款三合一電機驅動控制器設計方案的另一特點就是利用電機繞組(電感)和兩個逆變器搭載等效Boost電路，實現(xiàn)電池串聯(lián)800V充電，不像市面上多數(shù)方案要額外增加一個Boost電路，實現(xiàn)了低成本、結構更簡化的800V兼容400V方案。而如果不需要V2G，單向OBC則可用二極管取代IGBT功率模塊，成本將進一步降低。

沒錯，它跟比亞迪的驅動復用升壓充電其實使用的是相同的配方。

產(chǎn)品二：深度集成四合一電機驅動控制器

MCU、OBC、DCDC 和 PDU 四合一電機驅動控制器，實現(xiàn)了四個功能單元的深度集成，高功率密度、高效率、高可靠性和超低成本的特點。

四合一電機驅動控制器，圖片來源：億率動力

與目前市面上四合一電機驅動控制器僅從MCU、OBC、DCDC 和 PDU 這四個功能進行物理集成不同的是，億率動力對這四個功能模塊進行了共板設計，從電路和拓撲層面實現(xiàn)功率的集成。

四合一電機驅動控制器系統(tǒng)框圖，圖片來源：億率動力

筆者認為，這應該算是這款電機驅動控制器產(chǎn)品最具特色的地方。若按照集成度進行劃分，電機驅動控制器系統(tǒng)集成可以分為獨立產(chǎn)品、部件級整合、控制級整合、功率級整合四個階段，目前大多數(shù)廠商的系統(tǒng)集成方案主要處于第二、第三階段的控制級系統(tǒng)集成。第四階段功率級整合是在拓撲電路層面復用部分功率器件和磁性元件，技術難度較大，行業(yè)內具備功率級整合技術并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的廠商較少。

四合一電機驅動控制器OBC技術方案

相比于傳統(tǒng)方案，這個電機驅動控制器的OBC不一樣的地方在于將原有的MCU(控制器)、OBC、DCDC和PDU四個控制板集成到一塊板上，從功率和電路拓撲層面進行集成。好處是可以大大節(jié)省元器件使用量，一個最簡單的例子便是各個輸出端口的濾波器可以省掉，挑戰(zhàn)則在于PCB Layout時要考慮不同的部件、不同的功能需要不同的工作模式和狀態(tài)，需要確保把它放在一起后互不干擾，對設計能力要求高。

根據(jù)億率動力產(chǎn)品副總裁唐志介紹，“這款電機驅動控制器產(chǎn)品在設計之初就開始從這幾個部件的電路拓撲和控制進行分析，哪些東西可以集成，哪些東西可以省掉，我們把這四個部件打散后重新整合，從拓撲到控制到整個電機驅動控制器產(chǎn)品進行重新設計，最終實現(xiàn)產(chǎn)品體積減少了 2/3，重量減輕50%以上，成本也大幅降低，最高效率在 98% 以上?！?/p>

此外，這四個部件共用同一個DSP(傳統(tǒng)方案僅OBC 就要用兩個DSP)，OBC則采用了全SiC解決方案(SiC單管器件)。

四合一電機驅動控制器DCDC技術方案，圖片來源：億率動力

DCDC這種兩級的技術方案目前似乎很少廠商用?據(jù)唐志介紹億率動力是第一個吃螃蟹的人，好處也是顯而易見的。DCDC 的一大設計難點就是如何把效率做得更高、體積做得更小，因為DCDC電壓低(14 V)，輸出電流大，以1.5 kW的DCDC為例，輸出電流已經(jīng)到了 100 安，還要考慮 20% 的過載能力，那就是 130 多A，而一些乘用車的DCDC功率已經(jīng)去到到4-5 kW，輸出電流幾百A，目前常用的全橋逆變器方案，僅副邊電感體積就不小，有電感以后同步整流管的選型，耐壓要求也會比較高，至少要 100 V左右的同步整流管，限制了 DCDC 往大功率走。

這種兩級拓撲實現(xiàn)DCDC 高壓轉低壓，其好處就是調壓是在第一級Buck電路，第二級不調壓，Buck電路的輸出就是第二級的輸入，輸入輸出基本是穩(wěn)定的，SiC器件可以讓這個Buck電路的電壓和頻率提高，效率也更高，很容易解決電感的體積問題。

四合一電機驅動控制器相關技術指標，圖片來源：億率動力

綜合來看，這個電機驅動控制器產(chǎn)品變壓器體積更小，只有2個同步整流管(60V以下)+1個防反MOS，實現(xiàn) PCB 同頻輸出，相比于傳統(tǒng)的全橋方案通態(tài)損耗更小，可靠性更高，整個DCDC的電路拓撲方案優(yōu)化起來相對簡單。唐志也透露這款電機驅動控制器產(chǎn)品的實測效果，“從我們的測試結果來看，副邊管壓力非常小，可靠性得到了很大的提升?！?/p>

從上述的兩款電機驅動控制器產(chǎn)品以及小鵬汽車功率電子總監(jiān)陳皓的演講和相關采訪中，我們認為有幾個趨勢是值得磁元件企業(yè)關注的：

趨勢一：多合一逐步進入功率級集成

從電機驅動控制器技術發(fā)展趨勢看，目前電系統(tǒng)多合一已成為行業(yè)發(fā)展共識，系統(tǒng)性能和成本控制成為不同集成方案考慮的核心因素。

如果從電機驅動控制器體積角度看，其實目前磁性元件企業(yè)已經(jīng)做得不錯，也能夠滿足整車廠的要求，比如陳皓就曾提到，目前OBC與DCDC二合一基本已做成標準件，在SiC器件沒有普及的前提下能夠將體積控制在 2.6 -2.7 L，重量在6 kg以內。

但若從電機驅動控制器成本角度看，未來勢必將進一步優(yōu)化。前文我們也曾提到過目前能夠實現(xiàn)功率級整合的廠商相對較少，但畢竟還是有廠商具備這個能力的，而且我們有理由相信未來隨著成本壓力的增大，將倒逼更多系統(tǒng)商和整車廠進行功率級整合。畢竟省掉的元器件能夠帶來肉眼可見的降本效果，比如今年3月份曾有整車廠降價高達9萬元，而年底的降價潮已由比亞迪率先開啟。

進入功率級集成，對磁元件企業(yè)而言，存在著不小的挑戰(zhàn)：復用部分電路，磁元件需要整合更多功能，需要應對更復雜的工況，雖說單品價值量會更高，但這對磁元件企業(yè)而言挑戰(zhàn)更大，更考驗磁元件企業(yè)的設計能力，比如比亞迪的油電混合主驅上用到的那顆升壓電感，就一度難住了不少磁元件企業(yè)。

尤其是未來新能源汽車更智能化、自動駕駛級別更高后，還將新增加更多的功能。

趨勢二：SiC器件單管將率先在小三電系統(tǒng)普及

從產(chǎn)品角度看，SiC單管將率先在小三電系統(tǒng)的OBC、DCDC等場景開始普及。唐志在演講中提到說，“盡管目前 3.3 kW的 OBC 很少用SiC器件，大家都覺得使用 6.6 kW的才有經(jīng)濟價值， 但是我們發(fā)現(xiàn)用了SiC器件以后，改變拓撲充分利用SiC器件耐壓等級高的特點，可以省掉很多元器件，比如在后級摒棄傳統(tǒng)的LLC電路(前文提到的四合一電機驅動控制器)，改用諧振電路，由于采用了SiC器件，可以把頻率做得很高，變壓器體積做得很小，而且整個諧振電路效率也更高。3.3 kW的OBC 用SiC器件以后整體成本反而降低了，可以把OBC 的體積、重量、成本優(yōu)化得更好?！碧浦具€表示，“這種SiC單管器件，國產(chǎn)供應商已實現(xiàn)批量供貨，價格也已經(jīng)比較親民。我們測試了幾家國內供應商，還不錯，跟國外基本上同一個水平了。”

小鵬汽車功率電子總監(jiān)陳皓也表示，“目前在一些對晶圓面積要求沒那么大的部件，比如OBC，國內已有很多SiC器件批量性上車案例，主驅逆變器也有部分量產(chǎn)應用，但不多?！毙※i汽車在2022年推出了首款搭載SiC解決方案的 800 V車型G9，2023 年又相繼推出G6、X9等車型，其他如上汽、吉利等車廠也陸陸續(xù)續(xù)推出了800V車型，陳皓還提到，“接下來，小鵬汽車全系車型基本上都會采用 800 V的SiC解決方案(全800V架構)。”

SiC器件的應用對磁元件而言影響最大的就是高頻損耗。唐志并沒有提到采用SiC器件的多合一電機驅動控制器工作頻率，不過我們從在采訪陳皓的過程中了解到，目前業(yè)界普遍的頻率大致分幾段，OBC 前端的 PFC 一般是60-80 kHz，OBC 的頻率一般150- 200 kHz的變頻，業(yè)界能夠做到的最高頻率是500-700 kHz，但目前國內廠商一般能做到這個頻率的很少。

500 kHz已進入高頻范疇，剩余損耗將急劇增加，極大影響磁元件的應用。

國內磁性材料權威專家、磁技術專業(yè)委員會副主任委員、浙江工業(yè)大學車聲雷教授表示，損耗是隨頻率升高而升高的，但不是比例關系，尤其是到了高頻(例如500kHz以上)，基本上是一個2次以上、甚至3次以上的函數(shù)關系，頻率越高，曲線越陡，也就是說頻率升高引起的損耗增加越劇烈。

但高頻化是收益最好、性價比最高的一個方向。

目前已有越來越多的企業(yè)開始加大力度開發(fā)更高頻率的磁材，陳皓還特意提到，本屆峰會已看到有不同的磁材適用500- 700 kHz甚至1 MHz以上的頻率。此外，除了選用更高頻率的磁材，線圈的選用和設計也至關重要，比如采用利茲線圈。

越來越多企業(yè)也意識到線圈的重要性，并開始推出新的產(chǎn)品解決方案——膜包壓方線(即在利茲線生產(chǎn)工藝上再增加一道壓方工藝，將其壓成扁線)。本屆峰會期間，驊鷹優(yōu)霸、大潤科技、開聯(lián)、萬寶等線材企業(yè)都有展出膜包壓方線產(chǎn)品。

趨勢三：元器件廠商對話整車廠幾率增加

從供應鏈角度看，相比于傳統(tǒng)汽車供應鏈，元器件廠商直接對話整車廠的概率更大。英飛凌汽車部門總裁Peter Schiefer近期受訪時表示，車企與半導體廠商直接談判、簽訂長期合同的情況在增加。

一方面，是因為SiC器件目前產(chǎn)能緊俏，為保障供應鏈的穩(wěn)定，眾多車廠開始直接跳過Tier 1 與元器件企業(yè)簽訂長期供貨協(xié)議。陳皓是這樣跟我們形容的：“目前英飛凌、安森美、ST、羅姆等國際主流廠商的SiC市場銷量非?；鸨a(chǎn)能基本上已經(jīng)被預定到了 2026 年。除了跟國際大廠簽訂綁定協(xié)議外，我們也積極尋找國內的SiC供應商?！?/p>

另一方面，更深層的原因則是新能源汽車打碎、重鑄了傳統(tǒng)燃油車供應鏈，整車廠“我全都要的”現(xiàn)象似乎越來越明顯。以電機驅動控制器為例，僅比亞迪(弗迪動力)與特斯拉兩家市場份額占比就接近四成，眾多造車新勢力也紛紛下場自研。

2023年1-8月年電機驅動控制器裝機量情況，數(shù)據(jù)來源:NE時代

結語

不管是更高級別的功率集成、SiC的應用，亦或是直接對話整車廠，其實最核心的就在于磁元件企業(yè)深度配合的研發(fā)設計配套能力，性能只是一個最終指標，實現(xiàn)這一指標的過程，同樣也是整機企業(yè)所看重的。

未來，隨著新能源汽車滲透率的提高，對磁元件的需求量也將更大，且隨著新能源汽車功能的復雜化、自動駕駛的升級，未來單顆磁元件的價值量也將更高，我們也期待在新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展的過程中，磁元件企業(yè)能夠抓住機遇，培養(yǎng)出能夠與整機企業(yè)乃至整車廠相匹配的磁元件設計能力。

本文為嗶哥嗶特資訊原創(chuàng)文章，未經(jīng)允許和授權，不得轉載

審核編輯：湯梓紅