800V高壓架構(gòu)提升系統(tǒng)性能之SiC的到來

一、背景我們知道為解決新能源汽車充電時間長的問題，當前在國內(nèi)汽車行業(yè)中采取的較為一致的方案是，通過將整車高壓平臺由傳統(tǒng)的400V提升到800V級別，進而在同等充電電流下提高對整車的充電功率，以此來降低所需的充電時長。在此新高壓架構(gòu)所引起的高功率充電模式下，由于整車功率密度的提升，致使在同等條件下，高壓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的負荷較之400V平臺更大，這便進一步導(dǎo)致了整車高壓系統(tǒng)的相關(guān)零部件在其性能和安全性等方面的壓力，為應(yīng)對此問題進而確保整車的行車安全，對于相關(guān)器件的升級被提出。圖1800V架構(gòu)引起的零件升級過程示意二、硬件升級的主要考慮在基于800V高壓平臺對相關(guān)控制零部件進行硬件升級的過程中，不可避免的會涉及到新架構(gòu)下器件的選型與匹配，而這其中最主要的部分便是對于高壓電源模塊的匹配，此變更中在確保新產(chǎn)品性能滿足要求的前提下，對于產(chǎn)品成本具有較大影響的主要是在DC/DC、OBC、電機控制單元中的逆變器等高壓相關(guān)類產(chǎn)品中被大量應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件，如IGBT、MOSFET、二極管等器件。半導(dǎo)體器件在車載中的應(yīng)用占比如下圖所示：圖2

電動汽車中半導(dǎo)體器件占比在傳統(tǒng)的以400V高壓架構(gòu)為主的電動汽車高壓系統(tǒng)中，基于Si（硅）材料的IGBT作為主要應(yīng)用于高壓逆變單元中的核心模塊，其在車載功率半導(dǎo)體中的占比已超75%。圖3功率半導(dǎo)體在電動車中的應(yīng)用占比據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在乘用車領(lǐng)域IGBT于中低端車型中其價值約1000-2000元/輛，于高端車型中達到3000-3900元/輛。在此高價值、高占比的應(yīng)用背景下，對于在800V高壓架構(gòu)下所引起的該應(yīng)用模塊的變化不得不被各企業(yè)所重視。三、SiC替代Si材料的必要性對于電機控制單元中的逆變器其本質(zhì)是一個功率開關(guān)，常規(guī)工作流程是通過系統(tǒng)輸入的小功率控制信號，以起到控制高功率電流的輸出的目的，是將動力電池的高功率直流電轉(zhuǎn)換為高功率交流電以供驅(qū)動電機使用的關(guān)鍵，其過程示意簡圖如下：圖4逆變器是DC-AC的關(guān)鍵通常情況下，作為車載逆變器核心功率器件的IGBT其襯底材料為Si，雖然該產(chǎn)品具有抗高電壓、強電流的特性，但作為一種雙極型器件，其在關(guān)斷時存在拖尾電流，這無疑增加了系統(tǒng)的關(guān)斷損耗。同時基于Si的IGBT其承壓水平通常為600V左右，無法滿足800V甚至更高的高壓平臺的應(yīng)用，此性能特性限制了該產(chǎn)品在即將到來的更高壓環(huán)境中的應(yīng)用。另外，由于Si材料的特性致使其在高于50kHz的高頻率下工作時，會顯著降低系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換率，而且為了適應(yīng)產(chǎn)品在一定頻率下的正常工作，在其周邊電路上需增加許多電容、電感等被動元器件，但這無形中便增加的硬件的復(fù)雜度與成本。圖5Si材器件應(yīng)用限制為應(yīng)對800V高壓平臺對基于Si材料下的相關(guān)功率半導(dǎo)體因性能特性所引起的應(yīng)用限制，基于SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等寬禁帶半導(dǎo)體材料的第三代半導(dǎo)體在車載產(chǎn)品上得以應(yīng)用。首先，相較于Si基材料，SiC材料具有10倍以上的擊穿場強，可通過更低的電阻率和更薄的漂移層實現(xiàn)更高的擊穿電壓，讓其所應(yīng)用下的產(chǎn)品具有了更高的耐壓水平。其次，在相同的耐壓值下，SiC功率器件的導(dǎo)通電阻較之Si功率器件降低為1/200，且尺寸縮小了10倍，低電阻、小尺寸器件便決定了產(chǎn)品應(yīng)用中的低功率損耗以及讓總成產(chǎn)品更易實現(xiàn)輕量化與小型化。圖6SiC與Si材料在導(dǎo)通電阻及尺寸上的對比另外，SiC材料的禁帶寬度大是Si的3倍，可更大程度防止漏電流的發(fā)生；其熱導(dǎo)率是Si的3倍，高熱導(dǎo)率讓產(chǎn)品散熱變得更容易且極限工作溫度更高，這可有效降低系統(tǒng)中對散熱的性能要求，并可降低熱管理的體積和成本。又SiC的熔點約為2830℃是Si的2倍，由此高性能材料所應(yīng)用的器件具有耐高溫、高壓等特性，更適合在更高電壓平臺的新能源汽車上應(yīng)用。同時，基于SiC的器件在應(yīng)用中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能夠為系統(tǒng)提供更高的開關(guān)速度，其約是Si器件下的2倍以上，對于高頻率應(yīng)用可在較少硬件復(fù)雜度的同時不降低系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換效率。圖7SiC材料的優(yōu)勢綜上所述，對Si材料與SiC在車載應(yīng)用中的性能對比如下圖所示：圖8Si與SiC性能對比通過SiCMOSFET所實現(xiàn)的車載逆變器與Si材料的IGBT應(yīng)用的逆變器相比，在實現(xiàn)耐高壓、高溫的同時可讓產(chǎn)品做到體積更小、重量更輕，且由于材料性能的提升，讓系統(tǒng)在開關(guān)損耗、導(dǎo)電損耗等方面都得到大幅降低，而在高功率高頻率工作狀態(tài)下又能提高系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率。相較之下，新材料的應(yīng)用讓系統(tǒng)的能量損耗較之之前至少降低了3/4。圖9SiCMOSFET應(yīng)用降低系統(tǒng)能量損耗除作為主要應(yīng)用場景的逆變器外，通過SiC材料進行升級后的OBC等產(chǎn)品可實現(xiàn)更高功率密度下的高能源轉(zhuǎn)換效率，同時可依托于SiC的性能，減少其他功率器件的應(yīng)用。如在22kW的OBC中，可讓原本需要24個Si功率器件降低為12個SiC功率器件，對于設(shè)備總成本的優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用。圖1022kW的OBC不同材料下成本對比另外，在此新材料特性的影響下，由于在系統(tǒng)能源效率提升的同時又降低了功耗，從而讓新能源汽車的續(xù)航有了進一步地提高，據(jù)數(shù)據(jù)顯示，通過SiCMOSFET的應(yīng)用可讓電動汽車的續(xù)航里程提升約5%-10%。四、總結(jié)通過上述介紹可知，對于產(chǎn)品材料的升級是由于市場