SiC在電動(dòng)汽車有哪些應(yīng)用

盡管電動(dòng)汽車歷史不遜于內(nèi)燃機(jī)車，但它實(shí)實(shí)在在地被全世界主要國(guó)家推廣，發(fā)生在最近十年。相比于已在市場(chǎng)中接受了數(shù)十上百年考驗(yàn)的內(nèi)燃機(jī)車，電動(dòng)汽車存在許多的不足，為整車廠和用戶詬病。

但這些不足正在被克服，其中一個(gè)聚焦的解決方案即是功率電子技術(shù)?；蛘?，我們可以認(rèn)為，明面上電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的演化進(jìn)程，在一定程度上體現(xiàn)出在暗處的功率器件的發(fā)展進(jìn)程。

新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)驅(qū)動(dòng)力是功率電子器件技術(shù)。在它向著高速、集成、大功率方向發(fā)展的道路上，功率電子器件是主要推動(dòng)力之一。

從芯片角度來(lái)看，功率電子整體的趨勢(shì)是小型化、高功率密度和低損耗；從模塊發(fā)展方向看，它會(huì)向著耐高溫、耐高壓、高頻方向發(fā)展。

這些決定了，MOSFET由于耐壓低，在高電壓和大電流應(yīng)用中損耗過(guò)大，而被新能源汽車高壓部件拒絕?？紤]到技術(shù)的可實(shí)施性和實(shí)用性，IGBT的應(yīng)用正當(dāng)時(shí)。為了進(jìn)一步提高續(xù)航里程、縮短充電時(shí)間，應(yīng)對(duì)明顯的整車系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)電壓平臺(tái)高壓化趨勢(shì)，越來(lái)越多的車企開(kāi)始考慮SiC（碳化硅）功率器件。

SiC的妙用

電動(dòng)汽車中，車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、主逆變器和電動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)功率電子器件要求較高，基本上需要IGBT或SiC功率器件。

使用SiC有何好處呢？在SiC領(lǐng)域中浸淫已久的認(rèn)為，它的阻抗更低，做成模塊后尺寸會(huì)更小，效率會(huì)更高。作用于雙方向OBC，高效SiC模塊能夠縮短充電時(shí)間，減少電損耗；若作用于主驅(qū)逆變器，它可以幫助續(xù)航里程的增加，并且減小電池尺寸，降低成本。SiC可以突破其他功率器件的頻率瓶頸，這對(duì)于變壓器、感應(yīng)器等體積的縮減會(huì)帶來(lái)很大的幫助。相關(guān)元器件的體積可以縮至原來(lái)的1/10。而且，SiC可以在一個(gè)更高溫度下運(yùn)行，相對(duì)于Si，它的運(yùn)行溫度可以達(dá)到270度。如此，它需要的冷卻系統(tǒng)可以更簡(jiǎn)單，散熱器也走向小型化。

它以5kW DC/DC變換器為例來(lái)解釋SiC更夠帶來(lái)的收益。相對(duì)原來(lái)使用了Si基IGBT的變換器，SiC基MOS的芯片面積約為原來(lái)的1/4。最終高壓電源體積縮減了八成。效率高，損耗下降了63%。當(dāng)DC/DC變換器應(yīng)用了160kHz開(kāi)關(guān)頻率的SiC方案后，變壓器體積減小。

的SiC模塊已經(jīng)用在Formula-E電動(dòng)方程式Venturi（文圖瑞）賽車上。此前賽車中使用的是內(nèi)置傳統(tǒng)IGBT模塊的傳統(tǒng)逆變器，到2016年10月第三賽季，它使用了SiC SBD（碳化硅肖特基二極管）和Si IGBT組成的混合模塊，在同樣輸出功率（200kW）下逆變器重量降低了2kg，尺寸減少了19%。到2017年12月第四賽季時(shí)，逆變器采用了SiC MOS和SiC SBD組成的全Sic模塊。與傳統(tǒng)逆變器相比，它的輸出功率提升到220kw，重量降低6kg，尺寸減少43%。

汽車中應(yīng)用時(shí)間表

對(duì)SiC的未來(lái)極其看好，從今年到2025年間，SiC在汽車和工業(yè)兩大塊的需求將呈現(xiàn)出大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)。尤其是汽車OBC、逆變器在今后的五年對(duì)于SiC的需求將呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)。

現(xiàn)在的電動(dòng)汽車市場(chǎng)呈現(xiàn)出三大趨勢(shì)，其一是隨著用戶對(duì)續(xù)航里程的增加都非常關(guān)心。這對(duì)電池容量提出了增加的需求，或者使用SiC把效率提升了，如此一來(lái)，在相同的電池包容量的情況下，可以把里程提升上去。其二，用戶需要更快的充電時(shí)間，這一點(diǎn)同樣需要考慮高效。其三，歐洲電動(dòng)汽車的電壓平臺(tái)出現(xiàn)明顯的高壓化趨勢(shì)?，F(xiàn)在普通乘用車電壓平臺(tái)大概是400V到600V，而歐洲部分車企已經(jīng)提出800V電壓平臺(tái)。電壓提升后，電流即使減小也可以達(dá)到同樣的功率，如此可以降低充電電纜重量，有效減輕整車重量。

上述三個(gè)市場(chǎng)趨勢(shì)實(shí)際上都需要SiC功率器件的作用。根據(jù)整車廠整理出SiC在汽車應(yīng)用中的趨勢(shì)。理論上，電動(dòng)汽車部件何時(shí)將從Si基功率器件切換到SiC呢？這份應(yīng)用趨勢(shì)回答了時(shí)間點(diǎn)這一問(wèn)題。

目前來(lái)看，OBC中SiC SBD已經(jīng)得到了一個(gè)全面的應(yīng)用，2017年后它對(duì)SiC MOS提出需求，部分車企開(kāi)始使用內(nèi)置了SiC MOS的OBC。DC/DC轉(zhuǎn)換器上，2018年左右，它從Si MOS轉(zhuǎn)向SiC MOS。逆變器大概將于2021年從IGBT和Si FRD切換到SiC MOS。目前，特斯拉開(kāi)發(fā)并量產(chǎn)了基于SiC MOS的大功率電機(jī)控制器。應(yīng)用于快速充電的大功率DCDC預(yù)計(jì)將在2020年應(yīng)用上SiC MOS。

SiC應(yīng)用的分水嶺

隨著時(shí)間的推移，SiC在電動(dòng)汽車中的新應(yīng)用為它帶來(lái)了潛在的巨大市場(chǎng)。正加快步伐，擴(kuò)充產(chǎn)品矩陣。

2009年它收購(gòu)了一家碳化硅晶圓原材料公司SiCrystal。2010年開(kāi)始量產(chǎn)SiC SBD，并且發(fā)布全球首個(gè)可量產(chǎn)的SiC MOS。2012年它量產(chǎn)全SiC功率模塊；2015年溝槽型SiC MOS量產(chǎn)中。接著2017年其開(kāi)始量產(chǎn)6英寸SiC SBD。去年，其6英寸平面型SiC MOS量產(chǎn)，同時(shí)研發(fā)第四代溝槽型。今年，它量產(chǎn)了第三代溝槽型SiC MOS，并在PCIM ASia上發(fā)布了第四代溝槽型SiC MOS。

溝槽型SiC MOS具有的特點(diǎn)是低開(kāi)關(guān)損耗，開(kāi)關(guān)時(shí)的損耗比IGBT降低73%，以及低導(dǎo)通電阻，有助于進(jìn)一步節(jié)能。

也正擴(kuò)充SiC晶圓/器件的產(chǎn)能，來(lái)滿足市場(chǎng)的需求。它到2025年總計(jì)將投入約850億日元。這筆投資大部分是投向SiC，同時(shí)部分也會(huì)投向驅(qū)動(dòng)IC芯片。到2025年它將SiC功率器件和SiC晶圓的生產(chǎn)能力提高至高出2017年約16倍的水平。

另一方面，雖然加快了廠房擴(kuò)充速度，但是它對(duì)SiC的總產(chǎn)量非常謹(jǐn)慎。功率器件成本、車企對(duì)之的態(tài)度以及電動(dòng)汽車市場(chǎng)變化等都是影響實(shí)際需求的因素。

當(dāng)從Si IGBT切換到SiC功率器件時(shí)，成本會(huì)不可避免地上升。SiC能夠產(chǎn)生正經(jīng)濟(jì)效益的時(shí)間點(diǎn)，將是它能夠得以普及的分水嶺。

預(yù)測(cè)，當(dāng)電池電壓平臺(tái)在500V時(shí)，部分車型可在2021年做到整體成本的削減。例如，2021年時(shí)，電池容量在40kwh，系統(tǒng)功率大致低于70kw的車型使用SiC更有優(yōu)勢(shì)。這部分車型集中在中國(guó)市場(chǎng)和歐洲市場(chǎng)。