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车,不用SiC都不好意思叫电动出行

  车,不用SiC都不好意思叫电动出行

   

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  电动出行势头迅猛,助推主机厂和功率半导体展开深度合作,碳化硅(SiC)的汽车应用正在提速。

  市场调研公司Yole Développement在《电动出行之功率电子2021》中指出:“在市场增长和设计机会方面,SiC已成为最具活力的技术之一。SiC正在渗透到汽车应用新赛道。”

   

  走入大众应用

  SiC器件在本世纪初开始商业化应用。在这20年里,它已经从高端市场的专利演变为大众市场的应用。随着越来越多公司对SiC器件感兴趣并开发出SiC器件,这项技术的发展势头与日俱增。作为硅的“年轻竞争者”,SiC市场在2020年已价值超过6亿美元。

  Yole预计,2020-2026年,PHEV(插电混动)和BEV(纯电动汽车)市场将分别以37.3%和44%的复合年增长率增长。2026年,xEV转换器市场价值将超过288亿美元,年复合年增长率为27.7%。2026年,xEV用半导体功率电子器件的市场价值将达到56亿美元,年复合年增长率为25.7%。

   

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  电动出行的推动者

   

  从技术趋势看,车辆需要强大的电气化才能免于处罚;优化系统集成是提高传动系效率的途径之一。为此,主要主机厂已经宣布了模块化系统和车辆平台。

  在供应链方面,所有参与者都必须调整其战略,以实现二氧化碳减排目标。主机厂正在重新分配(xEV和ICE(燃油车))生产。中国仍然是BEV的主导者,但欧洲对PHEV有很大的推动作用。

   

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  EV DC充电器市场走势

   

  Yole功率电子技术与市场分析师Ana Villamor说:“电动汽车中基本上有三种转换器类型:主逆变器、DC-DC和OBC。”由于功率水平较高,主逆变器是不同转换器中最大的市场,其功率半导体的含量最高。”

  因此,预计到2026年,主逆变器市场将达到195亿美元,占EV/HEV转换器市场的67%,复合年增长率为26.9%。

  在功率半导体市场方面,受IGBT和SiC模块之间的重大技术战的推动,其价值预计将在2020年至2026年翻一番。事实上,目前SiC模块的成本仍约为650V IGBT模块的3倍,但当生产规模较大时,这种差异将缩小,过渡到8英寸晶圆以及1200V器件的渗透,将获得更高的电池电压。

   

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  xEV采用SiC及800V系统进程

   

  正如Yole的团队在《2021年电动汽车新功率电子》报告中所分析的那样,EV/HEV供应链继续受到需求和技术趋势增长的影响。为EV/HEV提供领先半导体的制造商,如英飞凌科技、意法半导体、日立、三菱电机、东芝、安森美半导体、UnitedSiC、CISSOID等众多企业都推出了与汽车相关的SiC最新产品,正在与一级供应商、主机厂和纯模块新来者,为EV/HEV提供功率模块,类似的情况也发生在电池设计和制造领域,特斯拉和通用汽车等主机厂正试图控制其供应链。

   

  800V SiC逆变器即将量产

  2021年3月,全球汽车电气化领域的领先供应商、大陆集团的动力总成业务部门Vitesco Technologies(纬湃科技)斩获一笔数亿欧元的新型高压部件订单,将为现代汽车新型电动汽车平台量产800V SiC逆变器供应800V SiC逆变器。

   

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  Vitesco 800V SiC逆变器

   

  第一批采用Vitesco逆变器的车型将是现代Ioniq5和起亚EV6,尽管该集团可能还有其他供应商。现代汽车称,800V电池系统可以350kW为电池充电,也可以使用传统的400-500VDC快速充电器充电,但效率较低,因为必须提高电压。

  Vitesco补充说,该公司正在开发和优化其他800V组件,包括DC-DC转换器、电池管理和充电系统。如果这种向更高电压系统的转变成功,可能很快就会看到更多制造商逐渐转向800V标称电压。特斯拉也有可能切换到800V系统,因为该公司一直以追求高效率(包括使用SiC器件)著称。

  Vitesco新能源科技事业部执行副总裁Thomas Stierle表示:“此次合作再次表明,Vitesco凭借电动汽车创新型关键部件满足了更高的产品要求。为更高效、更便捷、更可持续的出行贡献自己的力量。”

  迄今为止,大多数电动汽车采用的是400V电压驱动。只有少数高端纯电车型和跑车采用了800V高压架构。此前现代汽车刚亮相的E-GMP电动汽车平台采用了800V的工作电压,为电动汽车驾驶者带来了更多体验优势,如双倍电压大大缩短了电池的充电时间。根据电池容量,可以在20分钟内将电池电量充至80%。此外,800V电气系统可实现更高的功率输出,同时也大大提高了电驱动的工作效率。

  Vitesco在800V逆变器中使用了SiC功率半导体,从而显著提高了逆变器效率。采用SiC技术是在充分发挥高电压架构优势的同时提供最大效率的最佳方案。

  预计到2025年,现代汽车将累计推出23款纯电动汽车,包括基于E-GMP开发的11款电动车型,并将电动汽车的全球年销量提高至100万辆。

  作为电动出行领域的系统解决方案供应商,Vitesco 800V逆变器的大额订单是对其所推崇电气化战略的又一肯定,充分彰显了公司战略的前瞻性。为此,Vitesco正在全速推进基于800V系统电动汽车的其他核心部件,从DC-DC转换器到电池管理,再到充电系统的开发和优化。

  其实,Vitesco早在2020年6月就与ROHM签订了开发SiC电动汽车驱动器的协议,后者提供采用沟槽MOSFET的1200V 576A半桥全SiC功率模块BSM600D12P3G001,它是由SiC UMOSFET(沟槽栅)和SiC SBD组成的模块,适用于电机驱动、逆变器、转换器等应用。

   

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  ROHM 1200V 576A半桥全SiC功率模块

   

  另一款SCT2080KEHR是1200V 40A车用SiC MOSFET,是经AEC-Q101认证的汽车级产品,具有耐高压、低导通电阻、开关速度快的特点。

  Stierle说:“能源效率对电动汽车至关重要,由于电池是车辆中唯一的能源,因此必须把因功率转换引起的任何损耗降至最低。因此,我们正在开发用于模块化功率电子系统的SiC组件。为了从功率电子设备和电机中获得最大效率,我们将使用合作伙伴提供的SiC功率器件,所以我们选择了ROHM。”

  目前,Vitesco已在开发和测试800V SiC逆变器,旨在同时优化逆变器开关策略和电机,通过更高的频率和更陡的开关斜率提供更高的开关效率,减少电机的谐波损耗。此外,公司还正在研究800V SiC车载电池充电器。Stierle表示:“在合作过程中,ROHM和Vitesco将致力于创建ROHM SiC技术的最佳组合,并实现量产;同时通过逆变器设计的最佳匹配实现最高效率。”

  除了ROHM提供800V逆变器产品之外,两家公司还将开发400V SiC逆变器,Vitesco计划在2025年开始生产400V SiC逆变器。

  ROHM和Vitesco都在纽伦堡附近设有工厂,可以实现更好的协同效应。

   

  400V和800V SiC双管齐下

  SiC功率器件是当今的热门话题,采用这种器件的逆变器、充电器和DC-DC转换器已用于高端车辆。2020年4月,Karma(卡玛汽车)在其新车型中引入SiC功率电子产品,并将其出售给合作伙伴。Karma是美国南加州唯一一家从设计、工程、营销和手工制造独立一体的豪华车制造公司。

   

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  Karma SiC逆变器

   

  Karma展示了其最新技术——一种高效SiC逆变器。它将用于各种车辆,不仅是新的Karma E-Flex平台,也包括其他应用,特别是400V和800V电压范围。

  Karma表示,新的SiC逆变器正处于开发的最后阶段,是由Karma的动力传动系功率电子团队与阿肯色大学功率电子系统实验室(PESLA)合作设计的,旨在提高效率和性能,服务于Karma和合作伙伴。400V系统的灵活结构设计可以定制适应各种车辆平台,也可以在800V功率水平下利用更高电压快速充电。新型逆变器还将与汽车、飞机、火车、农业和工业应用等行业兼容。

  作为大型汽车供应商万向集团的一部分,Karma未来应该能够从其SiC技术中获利。Karma首席执行官Lance Zhou博士说:“在许多竞争对手仍在开发SiC逆变器的时候,Karma的SiC牵引逆变器已准备就绪,使公司处于这一先进技术的前沿。在此之前,Karma还开发了自己的基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的牵引逆变器,目前支持其2020 Revero GT和GTS豪华电动车。”

  Karma的新型SiC逆变器开发正值推出E-Flex平台计划的重要时刻,这个高度通用的系列平台将提供新的电动汽车解决方案,从自动驾驶多用途面包车到日常驾驶车辆,以及高性能超级跑车。该平台将使制造商能够以更高的速度和效率快速进入电动汽车市场。

  “电气化代表了出行行业的一个关键转变,Karma将把精力集中于技术研发,为合作伙伴提供更好的解决方案。我们的SiC逆变器加上E-Flex平台,将证明我们为电动汽车行业带来的革命性性能和效率,”Zhou博士表示。

   

  自研也是一条路

  2020年3月,比亚迪公布旗下中大型轿车汉EV首次应用自研高性能SiC MOSFET电机控制模块,助力其0-100km/h加速达到3.9秒。比亚迪为汉EV装备了最大转速超过15000转/分的高转速驱动电机总成,其电机控制器首次使用了比亚迪自主研发制造的高性能SiC MOSFET控制模块,能够降低内阻,增加电控系统的过流能力,让电机将功率与扭矩发挥到极致,大幅提升了电机的性能表现。

   

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  比亚迪SiC MOSFET电机控制模块

   

  2020年6月,蔚来首台SiC电驱系统C样下线,作为蔚来第二代电驱动平台的产品,SiC电驱系统将首先搭载在ET7上,该系统以更高的工作效率为车辆提供更长的续航里程。

   

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  蔚来首台SiC电驱系统

   

  2020年11月,小鹏汽车动力总成中心IPU硬件高级专家陈宏表示,SiC MOSFET相比硅基IGBT功率半导体具有耐高温、低功耗及耐高压等特点。采用SiC技术,电机逆变器效率提升约4%,对应整车续航里程增加约7%。小鹏汽车希望与产业链合作伙伴,共同推进SiC在智能网联汽车中的标准化,推广第三代功率半导体在智能网联汽车中的应用。

  2020年12月,比亚迪半导体产品总监杨钦耀表示,其车规级IGBT已经到第5代,SiC MOSFET已经到第3代,第4代正在开发当中,且在规划自建SiC产线,预计2021年将开始试生产。目前,按照计划,预计到2023年,其旗下电动车将实现SiC功率半导体全面替代IGBT,整车性能在现有基础上再提升10%。

   

  1200V SiC渐成主流

  说完了主机厂,再看看上游的半导体厂商做了什么?

  英飞凌推出的全新车规功率模块HybridPACK? Drive CoolSiC?可使逆变器设计在1200V实现高达250kW的功率,同时实现更高续航里程、更小电池尺寸以及更优化的系统尺寸和成本。该产品提供两种不同芯片数量版本:1200V等级400A或200A(DC)版本。

   

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  英飞凌HybridPACK? Drive CoolSiC?

   

  英飞凌研究与开发部门负责人Christian Schweikert表示,随着对电气范围要求的不断提高和安装空间限制,对牵引逆变器的能效要求也越来越高。

   

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  汽车牵引力要求不断提高

   

  SiC MOSFET被认为是未来牵引逆变器应用中最有前途的半导体器件。测量证实,基于沟槽SiC-MOSFET(SiC-TMOSFET)三相电压源的逆变器在汽车约束条件下,可以显著提高电动汽车传动系的效率。

   

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  渐进式电源模块设计与CoolSiC技术的性能提升

   

  通过比较不同半导体技术的400V和800V DC母线电压,可以发现,使用1200V SiC-TMOSFET的400V DC母线系统逆变器能耗降低了63%,可节省6.3%驱动周期;使用1200V SiC-TMOSFET的800V系统可减少69%的逆变器能耗,车辆能耗降低7.6%。由于在行驶循环模拟中没有考虑电池系统重量减轻的影响,因此SiC降低车辆能耗的效果还不止这些。

   

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  采用SiC-TMOSFET技术降低车辆能耗

   

  英飞凌创新与新兴技术负责人Mark Münzer指出:“电动汽车市场非常活跃,为创意和创新奠定了基础。随着SiC器件价格大幅下降,SiC方案的商业化进程将进一步加快。这将促使更多注重成本效益的平台采用SiC技术,以提高电动汽车的续航里程。”

  经测试,车规CoolSiC? MOSFET可实现短路鲁棒性及高水平的宇宙射线和栅极氧化物鲁棒性,这是设计高效可靠的汽车牵引逆变器和其他高压应用的关键。HybridPACK Drive CoolSiC功率模块完全符合汽车功率模块AQG324标准。

  现代汽车电气化开发团队负责人Jin-Hwan Jung博士表示:“我们全球模块化电动平台(E-GMP)的800V系统使用基于CoolSiC模块的牵引逆变器,车辆行驶里程提高了5%以上。”

  上面提到,Vitesco与ROHM签订了开发SiC电动汽车驱动器的协议,并将为现代汽车提供SiC逆变器,其实主机厂的货源不止一个。

  安森美的1200V SiC肖特基二极管无反向恢复电流、温度无关的开关特性和优异的热性能,使之成为下一代功率器件选择。SiC肖特基二极管也是一种全新技术,与硅相比,它具有优越的开关性能和更高的可靠性。系统的好处包括更高的效率、更快的工作频率、更高的功率密度、更低的电磁干扰以及更小的系统尺寸和成本。

  CISSOID的三相SiC MOSFET IPM是一种基于轻质AlSiC平板基板的SiC MOSFET智能功率模块(IPM),可满足航空和其他特殊工业应用中针对自然空气对流或背板冷却的需求,同时有望大幅降低电动汽车动力总成系统的体积、重量及成本,并实现最佳能源效率。

   

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  CISSOID三相SiC MOSFET车用智能功率模块

   

  CISSOID首席技术官Pierre Delatte表示:“越来越多的领先电动主机厂正在将SiC MOSFET用于牵引逆变器,其中有些还采用了非传统的分立器件封装。但是,目前很难找到为电机驱动而优化的SiC功率模块来适配不同应用。另外,将快速开关的SiC功率模块与栅极驱动器、去耦及水冷等整合为驱动总成,还要面对一些新的挑战。因此,经过完全优化和高度集成的智能功率模块解决方案可以为客户节省大量开发时间和工程资源。”

  其新的风冷模块(CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA)是专为无法使用液体冷却的应用而设计的,如机电执行器和功率转换器等。该模块的额定阻断电压为1200V,最大连续电流为340A,导通电阻仅有3.25mΩ,开关损耗分别仅为8.42mJ和7.05mJ(在600V 300A条件下)。该功率模块的额定结温为175℃,栅极驱动器的额定环境温度为125℃,AlSiC扁平底板冷却热阻较低,耐热性强。

  意法半导体第二代SiC功率汽车级SiC功率MOSFET是650V 45A、55mΩ的H2PAK-7封装器件,利用ST的先进和创新的第二代SiC MOSFET技术开发。该器件单位面积导通电阻极低,开关性能良好。开关损耗的变化几乎与结温无关。

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  ST SiC MOSFET标准化通态电阻与温度的关系

   

  这款AEC-Q101认证器件采用非常快和强大的本征体二极管,具有极低栅极电荷和输入电容以及提高效率的源感应引脚。

  ST第二代SiC MOSFET额定击穿电压值从SCTxN65G2的650V到SCTxN120G2的1200V,并延伸到1700V。

  在电动汽车牵引电机或充电站及电机驱动等应用中,使用SiC MOSFET可使设计者获得各种好处,包括减小功率级的尺寸和重量;实现更高的功率密度;减小功率电路无源元件的尺寸和成本;实现更高的系统效率;减轻热设计限制,消除或减少散热器的尺寸和成本。

  ST实验室测试比较了第二代650V SCTH35N65G2V-7 SiC MOSFET与硅IGBT的开关损耗。SiC MOSFET具有更低的开关损耗,即使在高温下也是如此。这使得转换器或逆变器能够在非常高的开关频率下工作,从而减小其无源元件尺寸。当温度超过175℃时,随着温度的升高电阻变化很小。

  SiC MOSFET的工作结温高达200℃,开关损耗极低;无体二极管的恢复损耗;高温功率损耗较少;易于驱动。

  UnitedSiC推出的6款全新650V和1200V SiC FET均采用行业标准D2PAK-7L表面贴装封装。这些器件有30、40、80和150mΩ版本,适用于电动汽车车载充电器和DC-DC转换器、服务器和电信电源、工业电池充电器和电源等应用。

   

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  UnitedSiC的650V和1200V器件

   

  D2PAK-7L SiC FET支持大幅提高开关速度,通过开尔文(Kelvin)源极连接改善了栅极驱动器的回路性能,并具有业界领先的散热能力。利用银烧结技术可以在常规PCB及复杂绝缘金属基板(IMS)上完成管芯贴附。此外,器件具有出色的爬电距离(6.7mm)和电气间隙能力(6.1mm),这意味着即使在更高电压下也可以确保最高的操作安全性。

   

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开尔文源极连接

   

  这些SiC FET器件基于一种独特的共源共栅电路结构,在这种结构中,常开SiC JFET与Si-MOSFET共同封装组成常关SiC FET器件。该器件的标准栅极驱动特性允许硅IGBT、硅FET、SiC MOSFET或硅超结器件实现真正的“插入式替换”。这在用SiC替代硅器件的过程中是难能可贵的优势。该器件具有极低的栅极电荷和特殊的反向恢复特性,非常适合开关电感负载和任何需要标准栅极驱动的应用。

   

  SiC走上红地毯

  Yole功率电子与电池首席分析师Milan Rosina表示:“主机厂层面的竞争打开了两条主要战线:一是拥有成熟市场和知名品牌的传统主机厂在转向电动汽车。二是纯电动汽车厂商正在世界不同地区涌现(如蔚来、里维埃、Rimac、小鹏和合众),其中一些正在快速增加销量。”新推出车型往往具有更高性价比,令前十大汽车销量不断变化。

  SiC现在已经走上了EV/HEV的红地毯。过去几年,特别是在特斯拉Model 3主逆变器引入SiC以来,应用势头愈演愈烈。但并非所有转换器或电气化都适合这种昂贵的材料。毫无疑问,BEV是赢家,因为它要求行驶里程长、充电时间短,需要提高转换器效率,节省电池电力,SiC转换器增加的成本因此得到了补偿。

  如今,主机厂已经有很好的SiC组合可供选择,因为许多半导体厂商都将SiC模块作为电动汽车应用的主攻方向,预计到2026年,SiC模块市场将占EV/HEV半导体市场的32%。


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