碳化硅使電動汽車的未來成為可能

碳化硅正在影響整個電動汽車行業(yè)，并將與另一種寬帶隙材料氮化鎵一起成為電子產(chǎn)品的核心。在APEC期間，Exawatt 首席執(zhí)行官 Simon Price 分析了 SiC 及其在電池電動汽車 （BEV） 環(huán)境中的積極發(fā)展?！癇EV 是全電動汽車，我們非常清楚 SiC 在該環(huán)境中的作用，”他說?！拔覀兘Y(jié)合了對電池和電力電子設備的思考，并將 BEV 視為一個集成系統(tǒng)，而不是單個組件。我們認為，非混合動力純電動汽車將在未來幾年占據(jù)汽車銷量的主導地位，到 2030 年肯定會如此?！?/p>

碳化硅預測必須考慮幾個點，例如碳化硅晶體生長和芯片成本、碳化硅器件和晶圓需求、碳化硅在電動汽車相關轉(zhuǎn)換器中的采用以及全球電動汽車銷售。從每戶家庭電動汽車的比例從 0.1% 上升到全球約 1%，大約需要五年時間?！耙_到 10% 還需要五年時間，”Price 說（圖 1）。

圖 1：BEV 市場正在增長。（來源：Exawatt）

普萊斯還強調(diào)了近年來美國家庭采用的一系列技術(shù)，例如手機和個人電腦。“直到 1920 年代后期，汽車的采用率從 10% 迅速上升到約 60%，”他說?！捌囋鲩L曲線趨于平緩，直到 1940 年代，它再次開始快速增長。這些數(shù)據(jù)的驚人之處在于，技術(shù)越新，發(fā)展速度就越快。”

碳化硅

普萊斯認為，當 BEV 變得等同于內(nèi)燃機 （ICE） 并且成本趨于下降且數(shù)量充足時，我們應該會看到大量采用?！靶阅芎统杀镜慕Y(jié)合將推動增長，這就是碳化硅的用武之地，”他說。

要了解 SiC 可能產(chǎn)生的影響，讓我們來看看逆變器，以及各種 BEV 如何使用 SiC MOSFET 而不是硅 IGBT，從而由于更有效的傳導和開關損耗來提供更大的車輛行駛里程。由于較小的無源元件和減少的冷卻系統(tǒng)的組合，所有這些都導致了更小、更輕的功率轉(zhuǎn)換器的開發(fā)?！疤蓟璨粫苿与妱悠嚨牟捎?，但可以通過降低總系統(tǒng)成本和增加電動汽車的續(xù)航里程，在加快采用率方面發(fā)揮作用，”普萊斯說。

最大的挑戰(zhàn)是電池成本，該成本正在下降，但仍對 BEV 的整體成本構(gòu)成巨大的比例挑戰(zhàn)。這就是 SiC 再次派上用場的地方，因為它有助于降低成本并提高這些電池的性能。

圖 2：碳化硅的主要優(yōu)勢（來源：Exawatt）

讓我們看看一個 50 千瓦時的電池（圖 2），這大約是我們認為的平均容量，還有兩個電池的成本：150 美元/千瓦時，與過去一兩年的平均電池組成本相差不遠，和 100 美元/千瓦時，這更接近于去年中國制造商的最低成本售價，而且很快就會低于許多電池制造商的售價。首先要注意的是，車輛續(xù)航里程對成本的影響最大：顯然，遠程 BEV 價格昂貴，而短程 BEV 更便宜。這是由電池組的尺寸和成本驅(qū)動的，可以通過使用更高效的電力電子設備來降低成本。

“圖 3 中最右邊的條形顯示了當您使用帶有 50 kWh 電池組的 BEV 時會發(fā)生什么：您提高了動力系統(tǒng)的效率，使用碳化硅逆變器可以將范圍增加約 10%，或者，您可以將包裝尺寸減少約 10%，并在保持續(xù)航里程不變的情況下降低汽車成本，”Price 說?！斑@也使汽車更輕，并節(jié)省了車內(nèi)空間?！?/p>

所以主要的挑戰(zhàn)是降低每千瓦時電池的成本，減少我們需要的電池數(shù)量，這對電力電子來說是一個機會，從而發(fā)揮碳化硅的優(yōu)勢。

OEM 中的 SiC

中國在電動汽車銷售方面處于領先地位，其次是其他國家，如圖 3 所示。特斯拉擁有良好的份額，并且正在其電動汽車中使用 SiC?！捌渌囍圃焐滩捎?SiC 的速度較慢，主要是由于成本，最近，現(xiàn)代汽車宣布了其新的 800-V EV 平臺，碳化硅 E-GMP，我們預計今年會有更多公告，”普萊斯說。

圖 3：SiC 已經(jīng)成為主流。（來源：Exawatt）

逆變器的成本取決于其內(nèi)部功率晶體管的成本。Price 在圖 4 中展示了一個有趣的圖表，描述了 SiC 如何發(fā)展，其成本基于各種參數(shù)，例如基板和封裝。

圖 4：碳化硅越來越便宜。（來源：Exawatt）

今天 SiC 和硅之間的巨大成本差異在于襯底本身。碳化硅是一種極其難以生長的材料。它是世界上僅次于金剛石的第二硬材料。它在高溫（2000°C 以上）下生長非常緩慢，過程非常難以控制，而且制造技術(shù)正在迅速改進，從而顯著降低成本。

“碳化硅晶體為什么這么貴？即使在這些成本降低之后，也必須從中獲得最大性能，這意味著增加電流密度，”Price 說?！皳Q句話說，在給定的額定電流下制造更小的設備，以從每個晶圓中獲得更多的設備。這意味著提高材料和器件的質(zhì)量以提高器件性能。所有這些都將降低碳化硅器件和逆變器的成本?！?/p>

未來成本的降低將成為影響純電動汽車采用 SiC 的速度的重要因素。碳化硅的經(jīng)濟效益在遠程汽車中最大，這些汽車擁有最大的電池。

當您從配備小電池和低功率電機的短程汽車轉(zhuǎn)向配備更大電池和更大電機的遠程汽車時，您會隨著電池組的增大而受益，抵消不斷增加的成本逆變器，它會更大。

“當然，電池成本將繼續(xù)下降，因此人們可能會懷疑當今碳化硅的優(yōu)勢是否會隨著時間的推移而減弱，”普萊斯說。“我們的觀點是，碳化硅成本將在未來五年內(nèi)與電池成本保持同步?！?/p>

Price 展示了一張圖表（圖 5），顯示了使用 SiC 的主要 OEM。紅點是最大的遠程車輛（藍點使用硅 IGBT）。右側(cè)的藍點是應該使用 SiC 以使其性能更好的點。

圖 5：汽車中的碳化硅（來源：Exawatt）

Exawatt 的總體分析顯示，到 2030 年，所有 SiC 動力總成系統(tǒng)的市場規(guī)模約為 30 億美元?！皩嶋H上，很大一部分碳化硅功率轉(zhuǎn)換器可能會使用這些模塊，這意味著數(shù)量可能會更多，”價格。

BEV 銷量增長的一個重要因素是汽車模型的生產(chǎn)時間長度。一旦推出新模型，在該模型生命周期結(jié)束之前不會有太大變化。所以真正的問題是推出最后一個 ICE 模型需要多長時間?！?0 年來，我們已經(jīng)看到主流制造商推出的所有電動車型，”普萊斯說?！爱斎?，我們?nèi)匀豢吹胶芏嗷旌夏Ｐ筒呗裕渲?BEV 和 ICE 模型是同一模型范圍內(nèi)的選擇，但制造商越來越多地放棄這些類型的多模式策略并轉(zhuǎn)向全電動。汽車行業(yè)全面電氣化的速度在一定程度上取決于汽車的發(fā)展時間。一項新技術(shù)進入量產(chǎn)車大約需要五年時間，

普萊斯估計，臨界點可能是 2026 年，2030 年是購買 ICE 的最后一年。“一個典型的汽車模型有大約五到八年的生產(chǎn)壽命，”他說。“我們看到純電動汽車在 2026 年達到某種臨界點，屆時該產(chǎn)品被認為對普通買家來說已經(jīng)足夠好了。駕駛起來很有趣，與 ICE 一樣經(jīng)濟實惠，運行成本低得多，而且碳化硅可以在降低前期和運營成本方面發(fā)揮作用。”