聊聊SiC在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

上期EV焦點(diǎn)欄目 我們聊了聊電動(dòng)汽車為什么要上800V，也大致了解了SiC和800V互相成就的關(guān)系。今天這期，我們相對(duì)放大一下，聊聊SiC在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。

在汽車電動(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)汽車則成為了碳化硅的核心應(yīng)用場(chǎng)景。因此，這期「EV焦點(diǎn)」欄目，我們將再次以電動(dòng)汽車為焦點(diǎn)，逐步和大家聊聊SiC在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用趨勢(shì)。

我們先通過電動(dòng)汽車內(nèi)部電能的流動(dòng)，了解一下新能源汽車電動(dòng)化的框架。

「新能源汽車電動(dòng)化的框架」

首先我們要先知道給動(dòng)力電池充電的兩種方式。

一種是通過 “快充”口，利用外來的“直流充電樁”直接給動(dòng)力電池充電；另一種是將電網(wǎng)的交流供給車輛內(nèi)部的車載充電機(jī)（OBC），OBC轉(zhuǎn)換為直流電。兩者對(duì)于動(dòng)力電池pack而言是進(jìn)入同一個(gè)接口，只是充電電流大小不同。

電動(dòng)汽車電能應(yīng)用分兩個(gè)方向，一個(gè)用于汽車驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)則用于車身/輔助系統(tǒng)

在驅(qū)動(dòng)端，電能依次流經(jīng)外部充電設(shè)備、車載充電機(jī)OBC（當(dāng)然，只有如上面說的那樣，輸入為交流電流時(shí)使用）、接著到電池、逆變器、電機(jī)電控、減速箱、車輪，同時(shí)通過電池管理系統(tǒng)進(jìn)行能量管理；

在車身及輔助系統(tǒng)端，電能從電池處流出，經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器、低壓電池、輔助系統(tǒng)。

「SiC在EV中的應(yīng)用發(fā)展」

那么，SiC在其中又呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展格局？

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這些優(yōu)勢(shì)這邊就不再贅述了。

考慮到未來電動(dòng)車需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，在車用半導(dǎo)體中，SiC將會(huì)是未來趨勢(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)（車載DC/DC）、電動(dòng)汽車車載充電系統(tǒng)（OBC）及非車載充電樁等方面。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為新能源汽車的“心臟”，直接影響到整車的能源效率、續(xù)航里程等。對(duì)新能源汽車整車使用性能具有較大影響。

電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括“大三電”即驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、變速器和“小三電”即壓配電盒PDU、車載充電機(jī)OBC 和DC/DC 變換器。

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，降低了單車成本，無疑是新能源汽車最佳選擇。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)。

▍主逆變器

主逆變器也就是牽引逆變器，它的作用就是將來自電池的電能（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、重量將直接影響車的續(xù)航范圍和可靠性

目前，電動(dòng)車中的主驅(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。

比亞迪、特斯拉等部分車型已經(jīng)使用了碳化硅功率器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。

特斯拉處在碳化硅器件應(yīng)用的前列，其Model 3車型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分搭載了24個(gè)650V/100A的SiC MOSFET模塊，車身比Model S減輕了20%。

比亞迪推出的“漢”EV 高性能四驅(qū)版本也配備了SiC MOSFET 功率控制模塊，是中國(guó)首個(gè)采用相關(guān)技術(shù)的車型。

蔚來在2021 年發(fā)布的純電轎車中，也將會(huì)采用SiC 模塊作為電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)。

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。

**▍**車載充電機(jī)(OBC)

車載充電機(jī)(OBC)為電動(dòng)汽車(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。通過使用車載充電器可將電網(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器件則可用于車載充電機(jī)PFC和DC-DC次級(jí)整流環(huán)節(jié)，推動(dòng)車載充電機(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，通過減少能耗每年可減少單位成本40美元左右。

**▍**DC/DC轉(zhuǎn)換器

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)車內(nèi)高壓電池和低壓電瓶之間的功率轉(zhuǎn)換，主要給車內(nèi)低壓用電器供電，如動(dòng)力轉(zhuǎn)向、水泵、車燈等。隨著整車智能化、電氣化的發(fā)展，對(duì)DCDC的供電功率及安全性提出了更高的要求。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器分為三類：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器，車載DC/DC 轉(zhuǎn)換器可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電。

值得一提的是，基于碳化硅研制的功率器件，為氫能汽車燃料電池 DC/DC 變換器帶來革命性的創(chuàng)新。

此外，800v高壓平臺(tái)有望為OBC/DCDC帶來新增量。為滿足800v高電壓平臺(tái)在體積、輕量、耐壓、耐高溫等方面帶來的更為嚴(yán)苛的要求：

首先，OBC/DCDC等功率器件集成化趨勢(shì)明顯；

其次，高壓平臺(tái)使車載充電機(jī)升級(jí)需求增加，為高壓OBC提供增量；

再者，為能夠適配使用原有400v直流快充樁，搭載800v電壓平臺(tái)新車須配有額外DCDC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升壓，進(jìn)一步增加對(duì)DCDC的需求。

日前，羅姆官微公布其SiC MOSFET應(yīng)用于美國(guó)豪華電動(dòng)汽車制造商Lucid Motors高端純電動(dòng)汽車“Lucid Air”充電控制主板“Wunderbox”。

Wunderbox由DC/DC轉(zhuǎn)換器和車載充電器（OBC）組成，分別采用了羅姆的高性能SiC MOSFET“SCT3040K”和“SCT3080K”。利用SiC MOSFET優(yōu)異的高頻和耐高溫性能，Lucid公司實(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%。

「結(jié)語」

誠(chéng)然，在新能源汽車上，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，硅基IGBT模塊及SiC模塊也將成為新能源汽車半導(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)。

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模將由10.9億美元增長(zhǎng)到62.97億美元，CAGR為34%；其中電動(dòng)車用SiC市場(chǎng)規(guī)模將由6.85億美元增長(zhǎng)到49.86億美元，CAGR為39.2%，而電動(dòng)車（逆變器+OBC+DC/DC轉(zhuǎn)換器）是SiC最大的下游應(yīng)用，占比由62.8%增長(zhǎng)到79.2%，市場(chǎng)份額持續(xù)提升。

碳化硅材料性能上限高，與新能源車高度適配；而新能源汽車市場(chǎng)日益火爆，需求釋放推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。在國(guó)產(chǎn)替代的需求和政策刺激下，我們也期待國(guó)內(nèi)的SiC企業(yè)能夠承擔(dān)起滿足市場(chǎng)需求的重任，迎接SiC“上車”時(shí)代的到來。

審核編輯：劉清