汽車 SiC 功率半導(dǎo)體勢(shì)不可擋

近日，DIGITIMES Research給出了一組數(shù)據(jù)：預(yù)計(jì)到2025年，電動(dòng)汽車用碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體將占SiC功率半導(dǎo)體總市場(chǎng)的37%以上，高于2021年的25%。

SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，令其成為新能源汽車的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕，且結(jié)構(gòu)更緊湊。

在電動(dòng)汽車中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言，800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于車載充電和快速充電樁，SiC功率半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比，在充電過(guò)程中減少了能量損失，也減少了所需的電容和電感的數(shù)量。

SiC比硅更薄、更輕、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。車用半導(dǎo)體中，SiC是未來(lái)趨勢(shì)，目前，xEV車中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來(lái)電動(dòng)車需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，SiC基MOSFET將是大勢(shì)所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率，從而降低電池成本。

SiC行業(yè)龍頭Cree預(yù)計(jì)到2022年，SiC在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速增長(zhǎng)到24億美元，是2017年車用SiC整體收入(700萬(wàn)美元)的342倍。

目前來(lái)看，車用功率半導(dǎo)體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來(lái)，因?yàn)樗阅芨鼜?qiáng)，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車動(dòng)力電池包越來(lái)越大、電機(jī)最大功率/峰值扭矩越來(lái)越高，SiC基MOSFET的優(yōu)勢(shì)就越顯著。

要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢(shì)，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù)，以獲得更高的工作電壓、最大功率和綜合效率。目前，SiC基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率(以逆變器效率計(jì)算)約為98%，在應(yīng)用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢(shì)。

SiC 應(yīng)用到電動(dòng)汽車的逆變器、OBC、DC/DC時(shí)，更低的阻抗可帶來(lái)更小的尺寸，更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸，且更耐高溫，可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸，最終帶來(lái)的是系統(tǒng)級(jí)的體積縮小和成本的降低。

車用SiC器件

SiC用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開(kāi)關(guān)損耗降低75%(芯片溫度為150° C)。在相同封裝下，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。

特斯拉的Model 3采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。2017年12月，羅姆為VENTURI車隊(duì)在電動(dòng)汽車全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E”錦標(biāo)賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器，使逆變器尺寸下降了43%，重量減輕了6kg。

逆變器已經(jīng)開(kāi)始使用IGBT+SiC SBD的混合方案，預(yù)計(jì)全SiC的逆變器將從2023年開(kāi)始在主流豪華車品牌中量產(chǎn)。

據(jù)Cree測(cè)算，SiC逆變器能夠提升5-10%的續(xù)航，節(jié)省400-800美元的電池成本(80kWh電池、102美元/kWh)，與新增200美元的SiC器件成本抵消后，能夠?qū)崿F(xiàn)至少 200美元的單車成本下降。據(jù)羅姆測(cè)算，到2026年，幾乎所有搭載800V動(dòng)力電池的車型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢(shì)。

此外，車載OBC和DC/DC，已經(jīng)開(kāi)始采用SiC器件，比如PFC電路中二極管切換改為了SiC SBD，或者將OBC的DC/DC原邊電路MOSFET管改為SiC MOSFET。全SiC方案也有望從 2021年開(kāi)始量產(chǎn)。

新能源車的功率控制單元(PCU)是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向和傳遞速度，傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過(guò)硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車最主要的電能損耗來(lái)源，而使用SiC則可大大降低這一過(guò)程中的能量損失。

將傳統(tǒng)PCU配備的硅二極管換成SiC二極管，硅IGBT換成SiC MOSFET，就可以降低10%的總能量損耗，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使車輛更為緊湊。

SiC功率器件也在加速融入車載充電器領(lǐng)域，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動(dòng)汽車充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，這一市場(chǎng)在2023年之前可保持44%的增長(zhǎng)速度。

北京柏艾斯科技是專業(yè)的電流電壓傳感器廠家，掌握霍爾磁通門等多種技術(shù)原理，為眾多國(guó)內(nèi)外用戶提供OEM和ODM服務(wù)，更多產(chǎn)品應(yīng)用請(qǐng)登錄公司網(wǎng)站了解更多，www.xm-yzy.com.