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国内外厂商都在抢发,SiC电驱动系统是什么来头?

浏览次数:853 发布日期:2019-12-25

“没有功率半导体,就不会有混合动力车或者电动汽车,”博世这般认为。

电动汽车的发展对驱动系统已经提出了更高的要求,比如小型化(方便多电机布置,甚至安装在车轮内),更高效(提高百公里能耗,节省电能,增加续航里程)。它急切需要功率半导体的协助,尤其是大功率、耐高压的功率半导体。

仅看2019年,已有多家零部件供应商发布了开发、量产SiC电驱动系统的计划,例如国外的博世、德尔福、采埃孚,国内的比亚迪

博世、采埃孚、德尔福、比亚迪的碳化硅逆变器

博世将于2020年开始在德国生产特别用于电动汽车的下一代节能芯片。其罗伊特林根150毫米晶圆厂将提交第一批样品给潜在客户,并在三年内找寻到量产的路径。

博世碳化硅芯片

博世133年历史上最大的一笔投资,再次强调出碳化硅(SiC)这一半导体材料在汽车行业的重要性。上一次引发碳化硅讨论热潮的是大众与科锐、英飞凌的战略合作。

碳化硅,即是博世下一代芯片所使用的半导体材料。通过使用这类材料,博世意在生产出能够承受高温、高压的芯片,应用于旗下e-Axle电驱动系统中。甚至考虑到需求将足够高,博世可能无法自给自足,必须从外部采购更多的碳化硅芯片。

当电控采用碳化硅芯片后,它将在电能转换和控制过程中减少50%的热损耗。这将直接提高功率电子器件的能效,为电机提供更多动力,从而提升电池的续航里程。单次充电后的电动汽车续航里程可在现有基础上再提升6%。

德国,汽车的发源地,诞生出大众、宝马、奔驰、博世等OEM和Tier1巨头。它的电气化或许在前期进展的比较迟缓,但在汽车电子领域却一直在发力。全球汽车半导体供应商TOP10中,博世和英飞凌均榜上有名。

总部同位于德国的采埃孚与美国碳化硅半导体企业科锐宣布建立战略合作关系,计划2022年前将SiC电驱动系统推向市场。

今年4月份,采埃孚首次采用SiC技术的电驱动系统已经用于法国文图瑞Venturi的电动赛车。SiC电驱动系统具备更高的能量转换效率。采埃孚的目标不止在于电动赛车,它计划3-4年内将SiC电驱动系统批量应用于乘用车中。

美国汽车供应商,例如德尔福,在9月份宣布计划在下个十年初期推出基于SiC芯片的逆变器。它认为,800V 碳化硅逆变器“下一代高效电动和混合动力汽车的核心部件之一”。它已与一家跨国OEM达成八年共27亿美元的项目。该项目预计将于2022年开始落实,最初推出的将是以800V电压运行的高性能电动汽车。

国内基于碳化硅材料的芯片研发和生产进展同样是关注的重点。尤其是当下国内正尽力避免高端芯片卡脖子,而孜孜不倦地自研芯片。

比亚迪SiC晶圆

SiC基功率器件方面,比亚迪在2017年研制出SiC MOS晶圆以及双面水冷模块,并于2018年将之批量应用于DC/DC、OBC中,有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代,将整车性能再提升5%以上。

IGBT、碳化硅与电动汽车

NE时代调研后发现,电控模块目前情况下以硅基IGBT为主,冷却技术以单面水冷为主。但它将向混合碳化硅过渡,冷却技术将从单面水冷转向为双面水冷。

无论Si基IGBT还是SiC基MOSFET,它们的主要作用在于导通和关断,控制驱动系统直、交流电的转换。

当下IGBT在电驱动系统中已经得到广泛的应用。公开资料显示,电压在600-1200V的IGBT需求量最大,占市场份额68.2%,主要应用于电动汽车。

但电动汽车到目前为止处于刚刚起步的阶段,普及的速度和广度都还有限。这也就意味着,它的未来还有无限的发展空间。至少现在车企已经在开发800V电压的整车,同时提高驱动效率,实现电驱动系统的小型化和集成化。这时,IGBT还能胜任吗?

正如硅基IGBT将硅基MOSFET拍在沙滩上,SiC基的MOSFET将是另一个“后浪”。它具备高频率、低损耗的特性,是电驱动系统在高温、高压下保持高速、稳定运行的关键。

以博世、采埃孚、德尔福和比亚迪这四家为例,其碳化硅基芯片的应用重点均集中于电控模块,批量应用时间点起始于2022年或2023年。

电控模块所用功率器件的进化,直接关系到电动汽车的整车性能。比亚迪在混动和纯电动上对SiC和Si的性能进行测算,结果显示,SiC后电机控制器的损耗下降5%,电驱动系统整体NEDC平均效率提升3.6%,整车NEDC续航提升30KM,里程增幅在5.8%。

如果车企不考虑从电驱动系统的高效率入手,而依赖于电池,那么它必须承担大如100KWh电池的高昂成本,才可以将续航里程提升6%。这对于车辆的空间、冷却系统、电池管理系统都是一个沉重的负担。

固然,碳化硅芯片相较现一代IGBT芯片增加的费用将使制造商付出巨大的代价,但它意义重大,关系到电动汽车的未来发展。

价格是决定SiC何时在新能源电机控制器上批量使用的关键因素。出于成本的限制,它只能先在高端车中进行配置。碳化硅器件可以承受更高的温度,因此可以减少对复杂冷却回路的需求,并且帮助提升续航里程,减小电池尺寸。最终整体成本的削减在一定程度上抵消碳化硅的成本。

时间和规模会降低它的成本,让中低端车开始受益。比亚迪第十四事业部电控工厂厂长杨广明曾指出,续航里程500公里以上的高端SUV车和高端轿车可能会在2021年会开始应用SiC,小型SUV和中型轿车可能在2024年会开始应用一部分SiC,低端车可能会在2025年之后。

比亚迪也已预见到,当下的IGBT也将逼近硅材料的性能极限。寻求更低芯片损耗、更强电流输出能力、更耐高温的全新半导体材料,已成为电驱动供应商的主要任务。

据悉,比亚迪已投入巨资布局第三代半导体材料SiC,并将整合材料(高纯碳化硅粉)、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体全产业链,致力于降低SiC器件的制造成本,加快其在电动车领域的应用。

来源:第一电动网


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