新能源汽車行業(yè)的發(fā)展概要及趨勢(shì)與進(jìn)步

隨著新能源汽車行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，提升新能源汽車?yán)m(xù)航里程成為了行業(yè)發(fā)展的主要任務(wù)之一，在動(dòng)力電池能量密度不能持續(xù)增加的情況下，降低車用部件重量是提升續(xù)航里程的首選方案，碳化硅功率器件替代硅器件對(duì)OBC功率密度提升和重量降低有著顯著的效果。

1． 概要

OBC作為新能源汽車的核心部件之一，其效率、功率密度等參數(shù)對(duì)新能源汽車充電時(shí)間和續(xù)航里程具有一定影響。在保證系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的前提下，更高的功率密度對(duì)減輕整車重量，提升整車?yán)m(xù)航里程具有積極推動(dòng)作用，更高的效率對(duì)于縮短充電時(shí)間具有積極意義。

使用傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體作為核心功率器件的OBC在效率和功率密度上已經(jīng)達(dá)到瓶頸，繼續(xù)使用硅基半導(dǎo)體已無(wú)法較大幅度提升OBC的效率和功率密度。而碳化硅功率器件具有高頻高效的特點(diǎn)，在OBC上使用碳化硅功率器件對(duì)于提升OBC的效率和功率密度有較大幫助。

2． OBC發(fā)展趨勢(shì)

2008年，新能源汽車作為示范工程亮相北京奧運(yùn)會(huì)，國(guó)家開始大力扶持新能源汽車行業(yè)，之后的10年里，新能源汽車經(jīng)歷了第一個(gè)高速發(fā)展的10年，OBC行業(yè)也在這10年中發(fā)生了巨大的變化。

欣銳科技是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的車載電源制造商這里透過(guò)欣銳科技的產(chǎn)品發(fā)展歷史和趨勢(shì)來(lái)概覽行業(yè)的發(fā)展。欣銳科技車載電源產(chǎn)品在近十幾年經(jīng)過(guò)不斷的迭代和更新，OBC產(chǎn)品效率從2012年的93%提升到現(xiàn)在96%，預(yù)計(jì)到2020年，車載OBC產(chǎn)品效率可以達(dá)到97%-98%；集成產(chǎn)品體積從第一代的53.3L到第三代的11.2L，縮小了近80%，質(zhì)量從第一代的26kg到第三代的12kg，降低了超過(guò)50%。碳化硅器件在欣銳科技車載電源產(chǎn)品效率、功率密度和質(zhì)量密度提升上發(fā)揮了重要作用。

圖（一）欣銳科技OBC產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

表（一）欣銳科技集成產(chǎn)品 （資料來(lái)源：方正證券研究報(bào)告）

3． 碳化硅功率器件在OBC中的應(yīng)用

OBC典型電氣結(jié)構(gòu)由PFC和DC/DC兩部分組成 ，典型拓?fù)淙鐖D（二）所示。

圖（二）6.6kW OBC典型拓?fù)潆娐?/p>

二極管和開關(guān)管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件。

3.1 碳化硅肖特基二極管在OBC中的應(yīng)用

如圖（二）所示，OBC的前級(jí)PFC電路和后級(jí)DC/DC輸出電路中會(huì)使用到二極管（Da、Db、D1、D2、D3、D4），對(duì)于二極管應(yīng)用而言，二極管會(huì)根據(jù)應(yīng)用的開關(guān)頻率在正向?qū)ê头聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)切換。

二極管工作在正向?qū)顟B(tài)時(shí)，為了降低二極管自身的導(dǎo)通損耗，需要選擇正向?qū)▔航担╒F）值盡可能低的二極管。

二極管工作在反向截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，為了降低其截止?fàn)顟B(tài)下反向漏電流（IR）帶來(lái)的損耗，需要選擇反向漏電流小的二極管。

二極管在開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，為了降低其開通關(guān)斷過(guò)程的損耗，需要選擇輸入電容（QC）小、開通關(guān)斷速度快的二極管。

在碳化硅功率器件批量應(yīng)用前，硅基超快恢復(fù)二極管在OBC的PFC電路有廣泛應(yīng)用，而在輸出電路中，半導(dǎo)體廠商可以提供低VF值的產(chǎn)品來(lái)應(yīng)對(duì)客戶的應(yīng)用需求，但是上述單一性能優(yōu)秀的產(chǎn)品也存在明顯的弱點(diǎn)，只能適用于特定的領(lǐng)域。碳化硅材料的出現(xiàn)讓二極管的VF、IR、QC等技術(shù)指標(biāo)同時(shí)滿足不同應(yīng)用要求成為了可能。

相比與硅基肖特基二極管，碳化硅肖特基二極管的最大優(yōu)勢(shì)在于反向恢復(fù)電流IR可以忽略不計(jì)。

圖（三）碳化硅二極管與硅二極管反向恢復(fù)電流對(duì)比

對(duì)于OBC的PFC電路而言，硅基肖特基二極管的反向恢復(fù)損耗在其整體損耗中占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎?，在PFC電路使用碳化硅肖特基二極管可有效提升PFC電路的效率；

碳化硅肖特基二極管的QC和VF兩個(gè)主要參數(shù)相比硅基二極管也具有一定優(yōu)勢(shì)，在OBC的后級(jí)輸出電路中使用碳化硅二極管可以進(jìn)一步提升輸出整流的效率。

3.2 碳化硅MOSFET在OBC中的應(yīng)用

在單相交流輸入的OBC（拓?fù)鋱D參考圖二）應(yīng)用中，DC/DC的前段需要使用開關(guān)管將直流電壓逆變成交流電壓，由于PFC輸出的直流電壓在400V以下，且系統(tǒng)功率不超過(guò)6.6kW，選擇650V、20A的開關(guān)管即可。在650V 20A的檔位的開關(guān)管中，CoolMOSTM導(dǎo)通電阻和輸入電容QC在硅基產(chǎn)品中處于領(lǐng)先地位；650V碳化硅MOSFET跟650V CoolMOSTM相比，雖然其導(dǎo)通電阻和輸入電容都有一定的優(yōu)勢(shì)，但價(jià)格要比同規(guī)格CoolMOSTM高3-5倍，實(shí)際應(yīng)用中CoolMOSTM在此市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位。

縮短充電時(shí)間和提升動(dòng)力電池電壓是新能源汽車發(fā)展的兩個(gè)主要課題：對(duì)于車載充電而言，單相OBC受交流電進(jìn)線電流限制，功率最大只能做到6.6kW，采用三相輸入的模式可以將目前6.6kW的功率提升到11kW，大幅提升充電速度；電池電壓提升對(duì)于OBC技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

輸入電壓由單相220V AC變成三相380V AC后，PFC電輸出級(jí)的電壓會(huì)相應(yīng)提高到550V左右，如果采用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，650V的CoolMOSTM已經(jīng)無(wú)法滿足要求，需要選用900V/1200V的開關(guān)管器件。

電池電壓的提升，意味著OBC后級(jí)輸出電壓升高，配合目前OBC從單向到雙向的發(fā)展趨勢(shì)，DC/DC次級(jí)器件會(huì)從目前的650V二極管轉(zhuǎn)變成900V/1200V的開關(guān)管。

900V及以上規(guī)格CoolMOSTM產(chǎn)品成本較高，性能上與碳化硅MOSFET的差距比650V的器件更大，因此900V/1200V碳化硅MOSFET在三相11kW OBC中有著廣闊的應(yīng)用前景。各車載電源廠家已經(jīng)陸續(xù)開始開發(fā)三相11kW OBC，首選方案均考慮使用碳化硅MOSFET作為DC/DC輸入級(jí)開關(guān)管，可以預(yù)見，未來(lái)三相11kW OBC將會(huì)成為碳化硅MOSFET的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。

圖（四）雙向OBC拓?fù)浜?jiǎn)圖

結(jié)合新能源汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)和碳化硅功率器件的特點(diǎn)，碳化硅二極管和MOSFET已經(jīng)在OBC應(yīng)用中占據(jù)一定市場(chǎng)份額，未來(lái)的市場(chǎng)占比會(huì)逐步擴(kuò)大，具備較為廣闊的市場(chǎng)。

4． 新一代符合OBC應(yīng)用的碳化硅功率器件

碳化硅功率器件相比硅基器件具有很多優(yōu)勢(shì)，但部分技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)需要進(jìn)一步提升，才能更好的適用于OBC系統(tǒng)。

4.1 適合OBC應(yīng)用的新一代碳化硅肖特基二極管：

PFC電路是碳化硅二極管在OBC系統(tǒng)中的主要應(yīng)用電路之一，其對(duì)二極管器件的抗浪涌能力要求較高，相比于硅基二極管，碳化硅二極管的抗浪涌電流能力相對(duì)較弱。如何在保證VF、IR、QC等核心參數(shù)不變或提升的情況下，提升器件的抗浪涌電流能力是碳化硅二極管發(fā)展面臨的重要課題之一。基本半導(dǎo)體推出的適合OBC行業(yè)應(yīng)用的650V、20A碳化硅肖特基二極管（B1D20065HC），與國(guó)際主流競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，主要技術(shù)參數(shù)與對(duì)手處在同一水平線或達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖（五）650V、20A碳化硅肖特基二極管與競(jìng)品主要參數(shù)對(duì)比

4.2 適合OBC應(yīng)用的新一代碳化硅MOSFET：

碳化硅MOSFET開關(guān)速度快，開啟電壓Vth相比硅MOS要低不少，如何降低碳化硅MOSFET在高頻應(yīng)用中的誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)，是工程師在應(yīng)用中碰到的最大問(wèn)題。

如圖（六）、圖（七）所示，采用開爾文封裝工藝，將傳統(tǒng)的TO-247-3封裝變成TO-247-4封裝，可實(shí)現(xiàn)碳化硅MOSFET功率源極和驅(qū)動(dòng)源極分開，有效降低碳化硅MOSFET關(guān)斷時(shí)L*di/dt對(duì)碳化硅MOSFET柵極的影響，降低MOSFET誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。

圖（六） TO-247-3封裝碳化硅MOSFET 關(guān)斷過(guò)程簡(jiǎn)圖

圖（七） TO-247-4封裝碳化硅MOSFET關(guān)斷過(guò)程

5． 基本半導(dǎo)體助推OBC行業(yè)發(fā)展

對(duì)于OBC而言，作為車載產(chǎn)品，其可靠性要求高于工業(yè)品，從產(chǎn)品可靠性的角度出發(fā)，各大車載電源制造商已開始逐步加大OBC系統(tǒng)中車規(guī)級(jí)器件的比例，碳化硅器件正是其中之一。國(guó)際品牌大廠中，CREE、ROHM、ST等品牌已經(jīng)陸續(xù)推出符合AEC-Q101的碳化硅功率器件，國(guó)內(nèi)廠商中，此區(qū)域尚屬空白。

基本半導(dǎo)體作為國(guó)內(nèi)碳化硅功率半導(dǎo)體領(lǐng)軍企業(yè)，致力于為各行各業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的碳化硅產(chǎn)品，為更好的服務(wù)于OBC行業(yè)客戶，助推OBC行業(yè)發(fā)展，基本半導(dǎo)體首款通過(guò)AEC-Q101測(cè)試的碳化硅肖特基二極管(B1D20065HCA)即將發(fā)布；同時(shí)，基本半導(dǎo)體1200V系列碳化硅MOSFET已開始AEC-Q101測(cè)試的籌備工作。