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罗姆:SiC在电动汽车应用中的趋势

来源:NE时代 浏览次数:79 发布日期:2019-07-04

电动汽车部件何时将从Si基功率器件切换到SiC呢?罗姆根据整车厂整理出SiC在汽车应用中的趋势,来回答这一问题。

尽管电动汽车历史不逊于内燃机车,但它实实在在地被全世界主要国家推广,发生在最近十年。相比于已在市场中接受了数十上百年考验的内燃机车,电动汽车存在许多的不足,为整车厂和用户诟病。

但这些不足正在被克服,其中一个聚焦的解决方案即是功率电子技术。或者,我们可以认为,明面上电动汽车电源系统和电驱动系统的演化进程,在一定程度上体现出在暗处的功率器件的发展进程。

新能源驱动系统的主要技术驱动力是功率电子器件技术。在它向着高速、集成、大功率方向发展的道路上,功率电子器件是主要推动力之一。

芯片角度来看,功率电子整体的趋势是小型化、高功率密度和低损耗;从模块发展方向看,它会向着耐高温、耐高压、高频方向发展。

这些决定了,MOSFET由于耐压低,在高电压和大电流应用中损耗过大,而被新能源汽车高压部件拒绝。考虑到技术的可实施性和实用性,IGBT的应用正当时。为了进一步提高续航里程、缩短充电时间,应对明显的整车系统和电机系统电压平台高压化趋势,越来越多的车企开始考虑SiC(碳化硅)功率器件。

SiC的妙用

电动汽车中,车载充电器、DC/DC转换器、主逆变器和电动压缩机对功率电子器件要求较高,基本上需要IGBT或SiC功率器件。

使用SiC有何好处呢?在SiC领域中浸淫已久的罗姆认为,它的阻抗更低,做成模块后尺寸会更小,效率会更高。作用于双方向OBC,高效SiC模块能够缩短充电时间,减少电损耗;若作用于主驱逆变器,它可以帮助续航里程的增加,并且减小电池尺寸,降低成本。SiC可以突破其他功率器件的频率瓶颈,这对于变压器、感应器等体积的缩减会带来很大的帮助。相关元器件的体积可以缩至原来的1/10。而且,SiC可以在一个更高温度下运行,相对于Si,它的运行温度可以达到270度。如此,它需要的冷却系统可以更简单,散热器也走向小型化。

它以5kW DC/DC变换器为例来解释SiC更够带来的收益。相对原来使用了Si基IGBT的变换器,SiC基MOS的芯片面积约为原来的1/4。最终高压电源体积缩减了八成。效率高,损耗下降了63%。当DC/DC变换器应用了160kHz开关频率的SiC方案后,变压器体积减小。

罗姆的SiC模块已经用在Formula-E电动方程式赛车上。此前赛车中使用的是内置传统IGBT模块的传统逆变器,到2016年10月第三赛季,它使用了SiC SBD(碳化硅肖特基二极管)和Si IGBT组成的混合模块,在同样输出功率(200kW)下逆变器重量降低了2kg,尺寸减少了19%。到2017年12月第四赛季时,逆变器采用了SiC MOS和SiC SBD组成的全Sic模块。与传统逆变器相比,它的输出功率提升到220kw,重量降低6kg,尺寸减少43%。

汽车中应用时间表

罗姆对SiC的未来极其看好,从今年到2025年间,SiC在汽车和工业两大块的需求将呈现出大幅度增长趋势。尤其是汽车OBC、逆变器在今后的五年对于SiC的需求将呈现出线性增长。

现在的电动汽车市场呈现出三大趋势,其一是随着用户对续航里程的增加都非常关心。这对电池容量提出了增加的需求,或者使用SiC把效率提升了,如此一来,在相同的电池包容量的情况下,可以把里程提升上去。其二,用户需要更快的充电时间,这一点同样需要考虑高效。其三,欧洲电动汽车的电压平台出现明显的高压化趋势。现在普通乘用车电压平台大概是400V到600V,而欧洲部分车企已经提出800V电压平台。电压提升后,电流即使减小也可以达到同样的功率,如此可以降低充电电缆重量,有效减轻整车重量。

上述三个市场趋势实际上都需要SiC功率器件的作用。罗姆根据整车厂整理出SiC在汽车应用中的趋势。理论上,电动汽车部件何时将从Si基功率器件切换到SiC呢?这份应用趋势回答了时间点这一问题。

目前来看,OBC中SiC SBD已经得到了一个全面的应用,2017年后它对SiC MOS提出需求,部分车企开始使用内置了SiC MOS的OBC。DC/DC转换器上,2018年左右,它从Si MOS转向SiC MOS。逆变器大概将于2021年从IGBT和Si FRD切换到SiC MOS。目前,特斯拉开发并量产了基于SiC MOS的大功率电机控制器。应用于快速充电的大功率DCDC预计将在2020年应用上SiC MOS。

SiC应用的分水岭

随着时间的推移,SiC在电动汽车中的新应用为它带来了潜在的巨大市场。罗姆正加快步伐,扩充产品矩阵。

2009年它收购了一家碳化硅晶圆原材料公司SiCrystal。2010年开始量产SiC SBD,并且发布全球首个可量产的SiC MOS。2012年它量产全SiC功率模块;2015年沟槽型SiC MOS量产中。接着2017年其开始量产6英寸SiC SBD。去年,其6英寸平面型SiC MOS量产,同时研发第四代沟槽型。今年,它量产了第三代沟槽型SiC MOS,并在PCIM ASia上发布了第四代沟槽型SiC MOS。

沟槽型SiC MOS具有的特点是低开关损耗,开关时的损耗比IGBT降低73%,以及低导通电阻,有助于进一步节能。

罗姆也正扩充SiC晶圆/器件的产能,来满足市场的需求。它到2025年总计将投入约850亿日元。这笔投资大部分是投向SiC,同时部分也会投向驱动IC芯片。到2025年它将SiC功率器件和SiC晶圆的生产能力提高至高出2017年约16倍的水平。

另一方面,罗姆虽然加快了厂房扩充速度,但是它对SiC的总产量非常谨慎。功率器件成本、车企对之的态度以及电动汽车市场变化等都是影响实际需求的因素。

当从Si IGBT切换到SiC功率器件时,成本会不可避免地上升。SiC能够产生正经济效益的时间点,将是它能够得以普及的分水岭。

罗姆预测,当电池电压平台在500V时,部分车型可在2021年做到整体成本的削减。例如,2021年时,电池容量在40kwh,系统功率大致低于70kw的车型使用SiC更有优势。这部分车型集中在中国市场和欧洲市场。

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