碳化硅功率管取代IGBT

汽車電動(dòng)化趨勢(shì)正在不斷加快。過去兩年，受疫情和芯片短缺影響，全球汽車市場(chǎng)整體表現(xiàn)不佳，但新能源車卻一枝獨(dú)秀，延續(xù)這幾年的強(qiáng)勁增長勢(shì)頭，2021年實(shí)現(xiàn)銷量翻倍，就連原來對(duì)于純電動(dòng)汽車方向有些猶豫的德國與日本傳統(tǒng)汽車大廠也紛紛推出自家純電動(dòng)產(chǎn)品，作為主力新品進(jìn)行推廣，電動(dòng)汽車發(fā)展前景一片光明。不過，充電慢與里程焦慮問題，隨著電動(dòng)汽車普及率增加而變得越發(fā)廣泛。當(dāng)前，解決充電慢問題主要有兩種方法，一個(gè)方法是更換電池，即汽車到換電站去更換已經(jīng)充好電的電池組，簡稱換電；另一個(gè)方法就是用大功率快充來縮短充電時(shí)間，希望實(shí)現(xiàn)類似“充電五分鐘，續(xù)航200公里”的目標(biāo)。

換電更快捷，但換電需要將電池組設(shè)計(jì)成可拆卸式，并大量建設(shè)換電站，還需要投入資源對(duì)更換完的電池做統(tǒng)一管理，這無疑將大幅增加早期的部署成本，因而當(dāng)前大多數(shù)廠商都選擇了大功率快充路線。增大充電功率也有兩個(gè)路線，即大電流路線或大電壓路線。

增大電流的優(yōu)勢(shì)是當(dāng)前電壓架構(gòu)不用修改，但大電流會(huì)產(chǎn)生很高的熱耗散，這樣電池充電時(shí)很容易出現(xiàn)過熱情況，所以需要改善汽車散熱設(shè)計(jì)以匹配大電流模式，而且大電流模式要求相關(guān)的元器件、連接器和線束有較高的承載電流能力，連接器與線束的承載電流能力與其直徑成正比，大電流無疑要求更粗的導(dǎo)線，因而會(huì)帶來更高成本。特斯拉的超級(jí)快充方案就采用大電流方案，電壓為400V，最大充電電流600A，可實(shí)現(xiàn)250kW充電功率，如此高的充電電流值，在相關(guān)模塊熱管理技術(shù)上有很大挑戰(zhàn)。

大電壓模式則是另一種選擇，例如將400V充電電壓更換為800V，用一半電流值即可實(shí)現(xiàn)與400V相同的充電功率，可以降低對(duì)元器件、連接器和線束承載電流能力的要求，簡化散熱設(shè)計(jì)難度，以降低成本并延長使用壽命。但是采用800V充電架構(gòu)，需要重新設(shè)計(jì)包括電池包、電驅(qū)動(dòng)、車載充電機(jī)等在內(nèi)的整個(gè)供電架構(gòu)，而且核心元器件要具備在800V直流電壓下正常工作的能力。

碳化硅功率管取代IGBT

現(xiàn)在主流400V架構(gòu)中，電驅(qū)動(dòng)的功率管主要采用IGBT器件，但I(xiàn)GBT耐壓值通常不高于650V，基本不能用于800V架構(gòu)。即便采用超級(jí)結(jié)工藝的高耐壓IGBT，工作電壓也不超過900V，而且成本高不說，其體積也要比普通IGBT大很多，這無疑為車內(nèi)空間布置及散熱設(shè)計(jì)帶來困難。

這時(shí)候，碳化硅（SiC）功率管的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，碳化硅屬于寬禁帶器件，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)是硅材料器件的十倍，因而可以用更小的尺寸實(shí)現(xiàn)更高的耐壓，當(dāng)前碳化硅功率管可支持1700V的MOSFET阻斷電壓，非常適合高壓應(yīng)用。而且碳化硅器件導(dǎo)通電阻低，關(guān)斷時(shí)漏電流小，可顯著提升電源模組效率；碳化硅器件導(dǎo)熱率是硅基器件的三倍，能夠承受更高的工作溫度，從而降低了散熱要求；而碳化硅器件反向恢復(fù)電流極低，可以在相對(duì)應(yīng)硅基器件3至5倍的工作頻率進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，從而降低了對(duì)電容和磁性元件的性能要求，可以用重量更輕、成本更低的電容和電感來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊，這對(duì)電動(dòng)汽車減輕重量、延長續(xù)航時(shí)間很有意義。

根據(jù)Wolfspeed的數(shù)據(jù)，在電動(dòng)汽車動(dòng)力總成中，將硅器件替換為碳化硅，最大可提升80%的功率密度、降低80%功率損耗，而且尺寸可減至原來的一半。

圖1：碳化硅器件極大提升電動(dòng)汽車高壓動(dòng)力總成性能

（圖源：Wolfspeed官網(wǎng)）

例如，貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的C3M0040120D，就是一款非常適合800V充電架構(gòu)的SiC MOSFET，該器件采用Wolfspeed第三代平面MOSFET技術(shù)，提高了Cgs/Cgd比，硬開關(guān)性能更高。C3M0040120D阻斷電壓高達(dá)1,200V，而導(dǎo)通電阻僅為40毫歐，最大工作電流可達(dá)66A，開關(guān)損耗小，能效高，對(duì)散熱要求低，采用小型TO-247-3封裝，非常適合電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽能逆變器與高壓DC-DC電源等高壓應(yīng)用。

圖2：Wolfspeed C3M0040120D

（圖源：Wolfspeed產(chǎn)品手冊(cè)）

另一款Wolfspeed的E3M0120090J同樣可以在貿(mào)澤電子官網(wǎng)買到。E3M0120090J也采用第三代碳化硅MOSFET技術(shù)，寄生參數(shù)低，開關(guān)速度快，源漏極擊穿電壓Vds達(dá)到900V，采用TO-263-7封裝。該產(chǎn)品通過了AEC-Q 101與PPAP認(rèn)證，適合電動(dòng)汽車充電、UPS、太陽能逆變器等應(yīng)用。

圖3：Wolfspeed E3M0120090J

（圖源：Wolfspeed產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)）

通過將硅基IGBT替換成碳化硅器件，不僅可以改善器件的整體性能，降低散熱設(shè)計(jì)難度，而且可以降低整車的成本。雖然碳化硅功率器件比IGBT這類的硅功率器件價(jià)格貴，但由于其損耗低，重量輕，可以有效增加整車?yán)m(xù)航能力，從而降低整車成本。圖4中的直流電源轉(zhuǎn)換器，采用650V硅器件來實(shí)現(xiàn)，需要的器件數(shù)量更多，還要有復(fù)雜的均流控制電路，同時(shí)導(dǎo)通損耗也比較高。采用Wolfspeed碳化硅功率管，電路簡單，而且開關(guān)頻率高，從而可以使用更小型、更輕量的磁性元件。

圖4：碳化硅器件在DC-DC電源轉(zhuǎn)換器中的優(yōu)勢(shì)

（圖源：Wolfspeed官網(wǎng)）

Wolfspeed估算，將IGBT器件更換為碳化硅器件，成本將增加75至150美元，但這批器件更換完以后，由于損耗低、電路簡潔、重量輕，即使在400V架構(gòu)下都可以增加6%-10%的續(xù)航時(shí)間，從而節(jié)省600至1,000美元的電池成本，這就給廠商留下了降低成本（減少525至850美元電池容量）或者增加續(xù)航體驗(yàn)的選擇。在800V架構(gòu)中，碳化硅技術(shù)的優(yōu)勢(shì)無疑將更加明顯。

薄膜電容器用途大

如前所述，高壓架構(gòu)將影響到相應(yīng)電路中的所有核心器件，包括電容器、電感器等被動(dòng)器件，這些電容器和電感器主要用于實(shí)現(xiàn)各種濾波和保護(hù)功能。

其中，薄膜電容器因?yàn)槟透邏?、可靠性高、安全性高、無極性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車的供電架構(gòu)上，如圖5所示，在電動(dòng)汽車大功率充電系統(tǒng)中，從輸入濾波、交直流變換、直流鏈接（DC-Link）、直流電壓變換到輸出濾波，都會(huì)用到薄膜電容器。

薄膜電容器采用無感式卷繞，電流路徑短，等效電感ESL和等效電阻ESR都比較小，能承受較大的電流而不發(fā)熱。而且薄膜電容器具有自愈特性，即如果電容器中的薄弱點(diǎn)被瞬時(shí)高壓擊穿，通過自愈能力，薄膜電容器可以恢復(fù)正常功能。從薄膜電容器加工工藝來看，蒸鍍?cè)谒芰媳∧ど系慕饘偻繉雍穸戎挥?0至50納米。如果某處較薄弱，則在瞬時(shí)過高電壓通過時(shí)可能會(huì)發(fā)生介質(zhì)擊穿，而由此產(chǎn)生的高溫將使絕緣介質(zhì)變成高壓等離子氣體釋放出去，并與擊穿點(diǎn)附近的金屬鍍層一起蒸發(fā)掉。高壓等離子氣體快速膨脹后會(huì)在幾個(gè)微秒之內(nèi)冷卻下來，從而在電壓發(fā)生大幅下降前終止放電現(xiàn)象，先前薄弱點(diǎn)附近的絕緣性得以恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)自愈功能。該特性讓薄膜電容器特別適合汽車與工業(yè)、電力等安全性要求高的場(chǎng)景。800V架構(gòu)中，對(duì)電容器的耐溫、耐壓、可靠性與穩(wěn)定性提出更高要求，預(yù)計(jì)薄膜電容器用量和單價(jià)都將有一定程度的提升。

圖5：TDK電容器產(chǎn)品概覽

（圖源：TDK官網(wǎng)）

貿(mào)澤電子在售的來自制造商EPCOS /TDK的B2563x MKP薄膜電容器就非常適合DC-Link環(huán)節(jié)，B2563x MKP薄膜電容器的預(yù)期使用壽命為100,000小時(shí)，額定電容范圍為50μF至400μF。該系列支持的直流電壓范圍為500V至1,200V，用戶可以根據(jù)具體應(yīng)用選擇相應(yīng)耐壓值的電容，例如B25631B1956K200支持電壓范圍達(dá)到1,200V。

圖6：EPCOS / TDK B2563x MKP薄膜電容器

（圖源：貿(mào)澤電子）

800V系統(tǒng)中，大功率應(yīng)用越來越多，對(duì)電感器的額定工作電流提出了更高要求。貿(mào)澤電子在售的TDK生產(chǎn)的HPL505032F1汽車電源電路用電感器，就是一款適合大功率應(yīng)用的電感器。HPL505032F1采用高飽和磁通材料制造的低電阻框架，通過高磁導(dǎo)率和低損耗鐵氧體，實(shí)現(xiàn)高功率效率，該電感器的額定電流提升至前代產(chǎn)品的1.5倍，可適應(yīng)高達(dá)40A至50A電流，專有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的磁通消除效應(yīng)有助于控制噪聲，而集成外部與內(nèi)部電極的框架可降低開路和短路風(fēng)險(xiǎn)，確保高可靠性。HPL505032F1通過了AECQ-200認(rèn)證，非常適合為ADAS中的攝像頭模塊供電。

圖7：TDK HPL505032F1汽車電源電路用電感器

（圖源：貿(mào)澤電子）

作為電感產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)廠商，TDK提供多種車規(guī)電感器供用戶選擇，貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的BCL電源電路用電感器是一款繞線式功率電感器，線圈采用磁性材料完全密封，可最大限度地減少磁漏。該電感器采用TDK專有的材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用金屬磁性材料作為核心材料，與使用具有相似屬性的傳統(tǒng)鐵氧體材料產(chǎn)品相比，尺寸縮小了約35%，以小尺寸實(shí)現(xiàn)了高電感，現(xiàn)有型號(hào)最大電感值達(dá)到47uH，今年即將上市的新型號(hào)電感最大到101uH。BCL系列繞組電線與外部電極之間的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低了開路風(fēng)險(xiǎn)，保證了高可靠性，工作溫度范圍為-55到+155℃，BCL系列額定電壓為40V，適合ADAS和各種ECU應(yīng)用中的低壓電源供電電路。

圖8：TDK BCL電源電路用電感器

（圖源：貿(mào)澤電子）

貿(mào)澤電子官網(wǎng)可訂購的TDK SPM-VT-D汽車電感器是另一個(gè)使用金屬磁性材料制作的金屬復(fù)合型繞線電感器系列，因此也具備小型化和低直流電阻（Rdc）特點(diǎn)，SPM-VT-D汽車用電感器同樣符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、LED、ADAS、BCM等車載模塊的電源電路應(yīng)用。

圖9：TDK SPM-VT-D汽車用電感器

（圖源：貿(mào)澤電子）

線束、隔離器和接觸器

采用高壓架構(gòu)的一個(gè)主要原因是大電流模式已經(jīng)接近車載線束電流承載能力上限（500至600A），采用高壓架構(gòu)可以降低線束載流要求，但仍需注意線束絕緣層是否滿足高壓要求。電動(dòng)汽車一般有兩個(gè)電壓等級(jí)：A級(jí)電壓最大不超過60V（直流）或30V（交流RMS值），B級(jí)電壓范圍是60V至1,500V（直流）或30V至1,000V（交流RMS值），因而通常高壓線束都在B級(jí)電壓范圍，但有的高壓線束絕緣性能只支持到600V，符合400V電壓系統(tǒng)要求，但如果用在800V系統(tǒng)中，顯然需要選擇更高耐壓的線束。同理，連接器和隔離器也要注意耐壓要求的變化。

接觸器也是值得關(guān)注的產(chǎn)品。電動(dòng)汽車在很多地方都需要快速可靠地切換高壓大電流的直流電路。高壓大電流直流電路切換會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧會(huì)導(dǎo)致接觸器切斷能力以及電氣壽命的下降，因而需要能快速切斷電流的高壓接觸器有很好的滅弧能力，從而確保應(yīng)用的可靠性。

圖10：TDK高壓接觸器切換電路性能好、更安全

（圖源：TDK官網(wǎng)）

貿(mào)澤電子官網(wǎng)在售的EPCOS / TDK HVC系列高壓接觸器符合電動(dòng)汽車高壓直流開關(guān)應(yīng)用要求，該款接觸器采用陶瓷密封設(shè)計(jì)，在惡劣環(huán)境中具有出色的可靠性，并具有高速消弧功能，最高支持500A的連續(xù)工作電流，該系列產(chǎn)品可用于電動(dòng)汽車中各種需要快速和可靠開關(guān)操作的應(yīng)用。其中新出的HVC43系列中的B88269X3340C011支持電壓高達(dá)1,000V，額定電流達(dá)250A，采用無極性設(shè)計(jì)，尺寸小、重量輕，設(shè)計(jì)用于快速關(guān)斷車輛、充電站或儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰離子電池的大直流電流，非常適合電動(dòng)汽車800V架構(gòu)。

圖11：EPCOS / TDK B88269X3340C011產(chǎn)品外形圖

（圖源：貿(mào)澤電子）

總結(jié)

繼保時(shí)捷推出首款800V架構(gòu)電動(dòng)汽車量產(chǎn)車型Taycan以來，包括比亞迪、小鵬、蔚來、理想、長城、北汽、廣汽等多家廠商宣布了其800V架構(gòu)計(jì)劃，這些廠商的800V架構(gòu)產(chǎn)品計(jì)劃在2022年或2023年上市，800V架構(gòu)的普及，必將改變包括電池組、功率管、電容器、電感器、接觸器、隔離器和線束在內(nèi)的大部分汽車供電架構(gòu)元器件技術(shù)的發(fā)展走向，Wolfspeed與TDK等做好技術(shù)積累的廠商，在這一個(gè)技術(shù)變革中，無疑占到了先機(jī)。

審核編輯 ：李倩