Littelfuse以技術(shù)創(chuàng)新推動商用電動車和電動船舶發(fā)展

憑借Littelfuse功率半導(dǎo)體、開關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用及保護(hù)器件等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，功率半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理劉鵬信心滿滿地向記者表示，在未來的五年之內(nèi)，中國電動車的商用電動車和電動船舶肯定會發(fā)生巨大的變革——中國有巨大的潛力成為電動船舶和商用電動車的領(lǐng)先者?！獙ＴLLittelfuse功率半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理劉鵬

為實(shí)現(xiàn)中國雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，踐行綠水青山就是金山銀山的國家大計，新能源產(chǎn)業(yè)正以前所未有的發(fā)展速度推進(jìn)。新能源汽車、鋰電池和光伏產(chǎn)品在國際市場上形成強(qiáng)大的競爭力，在這方面已走在世界前列。如何通過技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)掘新質(zhì)生產(chǎn)力，帶動各行各業(yè)發(fā)展成為關(guān)注焦點(diǎn)。

區(qū)別于乘用電動車，商用電動車是一種具有特殊用途的車輛，如電動貨車、電動掃雪車、電動壓路機(jī)、電動挖掘機(jī)等。據(jù)悉，2019年商用電動車市場為50億美元，到2027年將達(dá)250億美元，增長5倍，年復(fù)合增長率約為21.2%，市場快速增長；同樣，航行在江海湖泊的各類船只，也是各方角力的市場。由于電動船舶可以極大的減少碳排放，因此，電動船舶，如，電動遠(yuǎn)洋游輪、電動警用巡邏艇、電動渡輪等正逐步替代傳統(tǒng)船舶。據(jù)預(yù)測，2024年，電動船舶市場大概在70億美元，到2029年將達(dá)128億美元，年復(fù)合增加率約在12.65%。

近幾年，Littelfuse在商用電動車、電動船舶領(lǐng)域不斷耕耘，以滿足用戶對高性能、高可靠性的應(yīng)用需求。在剛剛閉幕的第十一屆國際汽車技術(shù)展覽會(AUTO TECH 2024)期間，我們有幸采訪到Littelfuse功率半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理劉鵬，就Littelfuse功率半導(dǎo)體、保護(hù)器件和開關(guān)產(chǎn)品在商用電動車和電動船舶上的應(yīng)用進(jìn)行了專訪。據(jù)了解，Littelfuse在該應(yīng)用領(lǐng)域中擁有非常廣泛的產(chǎn)品線。其中，功率半導(dǎo)體包括可控硅、二極管、IGBTs、MOS管、碳化硅、大功率器件及各種模塊等；電路保護(hù)器件包括過流、過壓保護(hù)器件，如壓敏電阻、保險絲、氣體放電管、e-fuse、TVS等；開關(guān)產(chǎn)品包括Pushbutton、Tactile、Key switch、Slide開關(guān)等。

圖1 Littelfuse產(chǎn)品在商用電動車和電動船舶上的應(yīng)用

進(jìn)一步了解到，未來汽車行業(yè)可能會進(jìn)入自動駕駛時代，而電動大卡在城市間或廠區(qū)間的運(yùn)輸中，其自動化價值易實(shí)現(xiàn)，且用電成本節(jié)省會越來越顯著。劉鵬表示，對于運(yùn)輸企業(yè)，實(shí)現(xiàn)汽車電動化至少能省下30%到50%的運(yùn)營成本。Littelfuse在商用電動車應(yīng)用中可提供廣泛的器件產(chǎn)品。

除了提供更多品類的器件，Littelfuse也提供相應(yīng)的解決方案和Demo板，以便客戶能夠更好地理解和使用產(chǎn)品。劉鵬提到，雖然許多客戶對各器件地使用很熟悉，但Demo板仍是一個有價值的參考工具。在解決方案方面，Littelfuse在功率半導(dǎo)體、保護(hù)器件和開關(guān)產(chǎn)品都有對應(yīng)的典型應(yīng)用，給用戶帶來高可靠性、高性價比的系統(tǒng)性、一站式解決方案。

· OBC：保險絲、MOV、功率器件等；

· 高壓電池及電池管理系統(tǒng)：保險絲、MOS管等；

· PDU：電路保護(hù)器件 + C&K的開關(guān)；

· DC-DC轉(zhuǎn)換器：從高壓電池轉(zhuǎn)到12V或24V，高壓MOS管、門極驅(qū)動、TVS以及各種保護(hù)器件等；

· 馬達(dá)驅(qū)動：IGBT模塊、TVS保護(hù)器件等；

· 匯流箱：保險絲、過壓過流器件。

一、功率半導(dǎo)體應(yīng)用

1.經(jīng)濟(jì)效益更突出的可控硅方案

大型商用電動車，像電動卡車平臺電壓會達(dá)到千伏以上，功率等級為MW級別。小型商用電動車電壓等級會比較低，基本上在200V以下。對于大型商用電動車充電方案，目前采用多模塊并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。用到650V/1200V MOSFET或IGBT，以及600V/1,200V的二極管。

圖3 Littelfuse功率半導(dǎo)體器件在展會中的樣品

多模塊的方案優(yōu)勢是擴(kuò)容方便，維護(hù)簡單，但效率和成本并不是最優(yōu)方案?；诖送袋c(diǎn)，Littelfuse提出了一個更加高效，小型化的MW級充電方案：12脈高壓整流方案，利用Littelfuse的壓接可控硅模塊N1718NC200(1718A/2000V)組建的MW充電器，其充電效率可達(dá)99.8%。此外，相比較于由于多模塊并聯(lián)SiC MOSFET方案中損耗最終轉(zhuǎn)化成為熱能，需要大冷卻器來進(jìn)行冷卻，因此其設(shè)備體積相當(dāng)大，而采用12脈整流可控硅方案只需其體積的10%左右，可控硅方案在經(jīng)濟(jì)效益方面是非常突出的。劉鵬提到，該方案在效率提升2%的同時，至少可以減低50%的成本。

2.適用于兆瓦級充電設(shè)備的高可靠性壓接式IGBTs

當(dāng)前，Littelfuse壓接式IGBT正被廣泛應(yīng)用于商用電動車和電動船舶。IGBT芯片通過金屬鉬片將芯圓壓接在銅殼里面，并進(jìn)行密封處理，其優(yōu)勢在于熱脹冷縮保持非常平穩(wěn)，產(chǎn)品長期的可靠性非常高。另外金屬鉬片的熱膨脹系數(shù)和芯片接近，將大大提高長期可靠性。同時，該殼體雙面散熱，無論采用水冷還是油冷散熱，都可以達(dá)到很好的散熱效果。因此，這是一種非常適合兆瓦級充電樁、充電站、驅(qū)動器的應(yīng)用方案。

例如，在某用戶中壓3.3kV、1.6kA、8MW方案設(shè)計中，Littelfuse采用IGBT T2400GB45E (2,400A/4,500 V)，配套二極管2,400A/4,500V，構(gòu)建出一套強(qiáng)力供電保障系統(tǒng)。針對不同中壓需求的電動船舶，Littelfuse還提供1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的IGBT方案，滿足DC Link電壓范圍從900-3,600V的供電需求。

另外，采用銅體封裝的Littelfuse壓接式盤狀I(lǐng)GBT相對塑封式IGBT而言，其應(yīng)力水平更高，避免了兆瓦級應(yīng)用中可能出現(xiàn)的殼體炸裂、起火、流液等損壞周邊電路的情況。10.54kJ的放電能量水平，使其在兆瓦級應(yīng)用中更具可靠性，冗余度更高。壓接式IGBT高可靠性的特點(diǎn)，允許設(shè)計工程師進(jìn)行冗余串聯(lián)，在單體短路失效的情況下，系統(tǒng)仍可以正常工作。因此，壓接式IGBT成為兆瓦級設(shè)備應(yīng)用，特別是在船舶推進(jìn)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等大功率應(yīng)用中的首選方案。劉鵬還提到，該IGBT方案還可以根據(jù)客戶需求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定制化，盡可能地為客戶解決實(shí)際問題。

圖5 高可靠性壓接式IGBTs

二、開關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用

C&K Switches的按鍵在商用電動車和電動船舶上的應(yīng)用包括：操作桿、顯示面板、控制面板、控制桿、帶線控制器、座椅、方向拓等。包括Pushbutton、微動開關(guān)、Key switch、Tactile點(diǎn)觸開關(guān)和一些大電流產(chǎn)品應(yīng)用，如Toggle、Rocker等高端電源開關(guān)應(yīng)用，以及可調(diào)式Rotary開關(guān)。

劉鵬特別介紹了作為信號或功率開關(guān)的Pushbutton，根據(jù)客戶需求，可以做到500萬次，甚至1,000萬次的壽命，此類高性能器件常被用于商用電動車、電動船舶、醫(yī)療設(shè)備中。劉鵬饒有興致地表示，不要以為開關(guān)看起來簡單，Littelfuse為達(dá)到超長生命周期，甚至按鍵聲學(xué)上的悅耳，我們還建立了完備的可靠性實(shí)驗(yàn)室和聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

圖7 C&K Switches開關(guān)應(yīng)用

比如，為了滿足某高端用戶在開關(guān)按鍵聲學(xué)方面的極致體驗(yàn)，Littelfuse團(tuán)隊(duì)會對開關(guān)撥片里面的彈片進(jìn)行特別設(shè)計，讓每一次按鍵聲音聽起來更加悅耳。上述都是C&K Switches核心競爭力。

三、保護(hù)器件應(yīng)用

整體而言，Littelfuse保險絲品類非常全，從交流的0.125A乃至貼片保險絲，或是60A、80A，甚至到125 A，應(yīng)用范圍廣泛。針對不同的能量等級、響應(yīng)速度，在眾多的產(chǎn)品中，選擇哪款產(chǎn)品至關(guān)重要，Littelfuse工程師都會根據(jù)應(yīng)用場景、產(chǎn)品性能給用戶做出更加完備的解決方案，而為了更快地對接市場，直面用戶需求。

Littelfuse保護(hù)器件在商用電動車和電動船舶的應(yīng)用主要在以下幾個方面：模塊化產(chǎn)品，如PDU、逆變器、Charger，以及在控制板、各種域的板、顯示面板、接口板、操作面板中的應(yīng)用。產(chǎn)品涉及過流過壓保護(hù)器件，如保險絲(包括大電流、小電流的一系列應(yīng)用)、TVS、可擊穿可控硅(SIDACTOR)、MOV、氣體放電管、e-Fuse等。

Littelfuse保護(hù)器件主要涉及兩個方向，功率端和通信接口端。功率端因?yàn)橹泵骐娋W(wǎng)、突波、雷擊等，吸收的能量比較大。因此，Varistors、TVS Diodes、SIDACTOR + Varistor、氣體放電管等方案會應(yīng)用的比較普遍，達(dá)到過流過壓的保護(hù);而通信端接口的保護(hù)，要考慮數(shù)據(jù)傳輸信號失真問題，針對USB 3.2、4.0、HDMI等高速接口開關(guān)，會專門設(shè)計低寄生電容保護(hù)器件。

現(xiàn)階段，碳化硅的應(yīng)用比較廣泛，包括在OBC和DC-DC上面都有很多成功案例。但是，碳化硅的缺點(diǎn)在于，其門級的正負(fù)電壓最大值不同，承載能力是非對稱的。目前市場上正電壓最大在25V左右，而負(fù)電壓承受能力非常弱，也就是在-5V左右的水平，這對保護(hù)器件提出了更高要求。Littelfuse工程師專門針對碳化硅產(chǎn)品，在同一極小封裝下搭載TVS管，設(shè)計工程師無需通過兩個TVS管實(shí)現(xiàn)雙向非對稱保護(hù)，不僅滿足了非對稱應(yīng)用的市場需求，而且大大節(jié)省了板上空間。

另外，TVS管在IGBT模塊中也得到了很好的應(yīng)用。因?yàn)榇蠹叶贾繧GBT的關(guān)斷，如果是快速硬關(guān)斷，其overshoot會特別高，這可能將使IGBT處于危險的過壓狀態(tài)。Littelfuse通過TVS管實(shí)現(xiàn)有源鉗位，一旦在overshoot下出現(xiàn)的過壓超過TVS管的限值，則會被擊穿，擊穿后，給門極一個瞬間充電，減小didt實(shí)現(xiàn)了適時削峰，對IGBT進(jìn)行了有效保護(hù)，實(shí)施有源鉗位后，極大提升了產(chǎn)品可靠性。

目前，無論時商用電動車還是電動船舶，歐洲已經(jīng)跑在市場前面，但劉鵬信心滿滿地向記者表示，相信憑借中國市場以及Littelfuse方案的優(yōu)勢，在未來的五年之內(nèi)，中國電動車的商用電動車和電動船舶肯定會發(fā)生巨大的變革——中國有巨大的潛力成為電動船舶和商用電動車的領(lǐng)先者。這也是為什么Littelfuse這兩年一定要大力地去做這件事情的重要原因。

未來，Littelfuse還將持續(xù)在MOEFET、IGBT、Diode、Thyristor以及SiC Device等系列產(chǎn)品上加大技術(shù)研發(fā)，提高迭代速度，幫助我們的客戶開發(fā)出效率更高、性價比更好以及體積更小的優(yōu)秀產(chǎn)品。

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審核編輯 黃宇