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    車,不用SiC都不好意思叫電動出行

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      電動出行勢頭迅猛,助推主機廠和功率半導體展開深度合作,碳化硅(SiC)的汽車應用正在提速。

      市場調研公司Yole Développement在《電動出行之功率電子2021》中指出:“在市場增長和設計機會方面,SiC已成為最具活力的技術之一。SiC正在滲透到汽車應用新賽道?!?/p>

       

      走入大眾應用

      SiC器件在本世紀初開始商業化應用。在這20年里,它已經從高端市場的專利演變為大眾市場的應用。隨著越來越多公司對SiC器件感興趣并開發出SiC器件,這項技術的發展勢頭與日俱增。作為硅的“年輕競爭者”,SiC市場在2020年已價值超過6億美元。

      Yole預計,2020-2026年,PHEV(插電混動)和BEV(純電動汽車)市場將分別以37.3%和44%的復合年增長率增長。2026年,xEV轉換器市場價值將超過288億美元,年復合年增長率為27.7%。2026年,xEV用半導體功率電子器件的市場價值將達到56億美元,年復合年增長率為25.7%。

       

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      電動出行的推動者

       

      從技術趨勢看,車輛需要強大的電氣化才能免于處罰;優化系統集成是提高傳動系效率的途徑之一。為此,主要主機廠已經宣布了模塊化系統和車輛平臺。

      在供應鏈方面,所有參與者都必須調整其戰略,以實現二氧化碳減排目標。主機廠正在重新分配(xEV和ICE(燃油車))生產。中國仍然是BEV的主導者,但歐洲對PHEV有很大的推動作用。

       

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      EV DC充電器市場走勢

       

      Yole功率電子技術與市場分析師Ana Villamor說:“電動汽車中基本上有三種轉換器類型:主逆變器、DC-DC和OBC?!庇捎诠β仕捷^高,主逆變器是不同轉換器中最大的市場,其功率半導體的含量最高?!?/p>

      因此,預計到2026年,主逆變器市場將達到195億美元,占EV/HEV轉換器市場的67%,復合年增長率為26.9%。

      在功率半導體市場方面,受IGBT和SiC模塊之間的重大技術戰的推動,其價值預計將在2020年至2026年翻一番。事實上,目前SiC模塊的成本仍約為650V IGBT模塊的3倍,但當生產規模較大時,這種差異將縮小,過渡到8英寸晶圓以及1200V器件的滲透,將獲得更高的電池電壓。

       

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      xEV采用SiC及800V系統進程

       

      正如Yole的團隊在《2021年電動汽車新功率電子》報告中所分析的那樣,EV/HEV供應鏈繼續受到需求和技術趨勢增長的影響。為EV/HEV提供領先半導體的制造商,如英飛凌科技、意法半導體、日立、三菱電機、東芝、安森美半導體、UnitedSiC、CISSOID等眾多企業都推出了與汽車相關的SiC最新產品,正在與一級供應商、主機廠和純模塊新來者,為EV/HEV提供功率模塊,類似的情況也發生在電池設計和制造領域,特斯拉和通用汽車等主機廠正試圖控制其供應鏈。

       

      800V SiC逆變器即將量產

      2021年3月,全球汽車電氣化領域的領先供應商、大陸集團的動力總成業務部門Vitesco Technologies(緯湃科技)斬獲一筆數億歐元的新型高壓部件訂單,將為現代汽車新型電動汽車平臺量產800V SiC逆變器供應800V SiC逆變器。

       

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      Vitesco 800V SiC逆變器

       

      第一批采用Vitesco逆變器的車型將是現代Ioniq5和起亞EV6,盡管該集團可能還有其他供應商?,F代汽車稱,800V電池系統可以350kW為電池充電,也可以使用傳統的400-500VDC快速充電器充電,但效率較低,因為必須提高電壓。

      Vitesco補充說,該公司正在開發和優化其他800V組件,包括DC-DC轉換器、電池管理和充電系統。如果這種向更高電壓系統的轉變成功,可能很快就會看到更多制造商逐漸轉向800V標稱電壓。特斯拉也有可能切換到800V系統,因為該公司一直以追求高效率(包括使用SiC器件)著稱。

      Vitesco新能源科技事業部執行副總裁Thomas Stierle表示:“此次合作再次表明,Vitesco憑借電動汽車創新型關鍵部件滿足了更高的產品要求。為更高效、更便捷、更可持續的出行貢獻自己的力量?!?/p>

      迄今為止,大多數電動汽車采用的是400V電壓驅動。只有少數高端純電車型和跑車采用了800V高壓架構。此前現代汽車剛亮相的E-GMP電動汽車平臺采用了800V的工作電壓,為電動汽車駕駛者帶來了更多體驗優勢,如雙倍電壓大大縮短了電池的充電時間。根據電池容量,可以在20分鐘內將電池電量充至80%。此外,800V電氣系統可實現更高的功率輸出,同時也大大提高了電驅動的工作效率。

      Vitesco在800V逆變器中使用了SiC功率半導體,從而顯著提高了逆變器效率。采用SiC技術是在充分發揮高電壓架構優勢的同時提供最大效率的最佳方案。

      預計到2025年,現代汽車將累計推出23款純電動汽車,包括基于E-GMP開發的11款電動車型,并將電動汽車的全球年銷量提高至100萬輛。

      作為電動出行領域的系統解決方案供應商,Vitesco 800V逆變器的大額訂單是對其所推崇電氣化戰略的又一肯定,充分彰顯了公司戰略的前瞻性。為此,Vitesco正在全速推進基于800V系統電動汽車的其他核心部件,從DC-DC轉換器到電池管理,再到充電系統的開發和優化。

      其實,Vitesco早在2020年6月就與ROHM簽訂了開發SiC電動汽車驅動器的協議,后者提供采用溝槽MOSFET的1200V 576A半橋全SiC功率模塊BSM600D12P3G001,它是由SiC UMOSFET(溝槽柵)和SiC SBD組成的模塊,適用于電機驅動、逆變器、轉換器等應用。

       

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      ROHM 1200V 576A半橋全SiC功率模塊

       

      另一款SCT2080KEHR是1200V 40A車用SiC MOSFET,是經AEC-Q101認證的汽車級產品,具有耐高壓、低導通電阻、開關速度快的特點。

      Stierle說:“能源效率對電動汽車至關重要,由于電池是車輛中唯一的能源,因此必須把因功率轉換引起的任何損耗降至最低。因此,我們正在開發用于模塊化功率電子系統的SiC組件。為了從功率電子設備和電機中獲得最大效率,我們將使用合作伙伴提供的SiC功率器件,所以我們選擇了ROHM?!?/p>

      目前,Vitesco已在開發和測試800V SiC逆變器,旨在同時優化逆變器開關策略和電機,通過更高的頻率和更陡的開關斜率提供更高的開關效率,減少電機的諧波損耗。此外,公司還正在研究800V SiC車載電池充電器。Stierle表示:“在合作過程中,ROHM和Vitesco將致力于創建ROHM SiC技術的最佳組合,并實現量產;同時通過逆變器設計的最佳匹配實現最高效率?!?/p>

      除了ROHM提供800V逆變器產品之外,兩家公司還將開發400V SiC逆變器,Vitesco計劃在2025年開始生產400V SiC逆變器。

      ROHM和Vitesco都在紐倫堡附近設有工廠,可以實現更好的協同效應。

       

      400V和800V SiC雙管齊下

      SiC功率器件是當今的熱門話題,采用這種器件的逆變器、充電器和DC-DC轉換器已用于高端車輛。2020年4月,Karma(卡瑪汽車)在其新車型中引入SiC功率電子產品,并將其出售給合作伙伴。Karma是美國南加州唯一一家從設計、工程、營銷和手工制造獨立一體的豪華車制造公司。

       

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      Karma SiC逆變器

       

      Karma展示了其最新技術——一種高效SiC逆變器。它將用于各種車輛,不僅是新的Karma E-Flex平臺,也包括其他應用,特別是400V和800V電壓范圍。

      Karma表示,新的SiC逆變器正處于開發的最后階段,是由Karma的動力傳動系功率電子團隊與阿肯色大學功率電子系統實驗室(PESLA)合作設計的,旨在提高效率和性能,服務于Karma和合作伙伴。400V系統的靈活結構設計可以定制適應各種車輛平臺,也可以在800V功率水平下利用更高電壓快速充電。新型逆變器還將與汽車、飛機、火車、農業和工業應用等行業兼容。

      作為大型汽車供應商萬向集團的一部分,Karma未來應該能夠從其SiC技術中獲利。Karma首席執行官Lance Zhou博士說:“在許多競爭對手仍在開發SiC逆變器的時候,Karma的SiC牽引逆變器已準備就緒,使公司處于這一先進技術的前沿。在此之前,Karma還開發了自己的基于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的牽引逆變器,目前支持其2020 Revero GT和GTS豪華電動車?!?/p>

      Karma的新型SiC逆變器開發正值推出E-Flex平臺計劃的重要時刻,這個高度通用的系列平臺將提供新的電動汽車解決方案,從自動駕駛多用途面包車到日常駕駛車輛,以及高性能超級跑車。該平臺將使制造商能夠以更高的速度和效率快速進入電動汽車市場。

      “電氣化代表了出行行業的一個關鍵轉變,Karma將把精力集中于技術研發,為合作伙伴提供更好的解決方案。我們的SiC逆變器加上E-Flex平臺,將證明我們為電動汽車行業帶來的革命性性能和效率,”Zhou博士表示。

       

      自研也是一條路

      2020年3月,比亞迪公布旗下中大型轎車漢EV首次應用自研高性能SiC MOSFET電機控制模塊,助力其0-100km/h加速達到3.9秒。比亞迪為漢EV裝備了最大轉速超過15000轉/分的高轉速驅動電機總成,其電機控制器首次使用了比亞迪自主研發制造的高性能SiC MOSFET控制模塊,能夠降低內阻,增加電控系統的過流能力,讓電機將功率與扭矩發揮到極致,大幅提升了電機的性能表現。

       

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      比亞迪SiC MOSFET電機控制模塊

       

      2020年6月,蔚來首臺SiC電驅系統C樣下線,作為蔚來第二代電驅動平臺的產品,SiC電驅系統將首先搭載在ET7上,該系統以更高的工作效率為車輛提供更長的續航里程。

       

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      蔚來首臺SiC電驅系統

       

      2020年11月,小鵬汽車動力總成中心IPU硬件高級專家陳宏表示,SiC MOSFET相比硅基IGBT功率半導體具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點。采用SiC技術,電機逆變器效率提升約4%,對應整車續航里程增加約7%。小鵬汽車希望與產業鏈合作伙伴,共同推進SiC在智能網聯汽車中的標準化,推廣第三代功率半導體在智能網聯汽車中的應用。

      2020年12月,比亞迪半導體產品總監楊欽耀表示,其車規級IGBT已經到第5代,SiC MOSFET已經到第3代,第4代正在開發當中,且在規劃自建SiC產線,預計2021年將開始試生產。目前,按照計劃,預計到2023年,其旗下電動車將實現SiC功率半導體全面替代IGBT,整車性能在現有基礎上再提升10%。

       

      1200V SiC漸成主流

      說完了主機廠,再看看上游的半導體廠商做了什么?

      英飛凌推出的全新車規功率模塊HybridPACK? Drive CoolSiC?可使逆變器設計在1200V實現高達250kW的功率,同時實現更高續航里程、更小電池尺寸以及更優化的系統尺寸和成本。該產品提供兩種不同芯片數量版本:1200V等級400A或200A(DC)版本。

       

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      英飛凌HybridPACK? Drive CoolSiC?

       

      英飛凌研究與開發部門負責人Christian Schweikert表示,隨著對電氣范圍要求的不斷提高和安裝空間限制,對牽引逆變器的能效要求也越來越高。

       

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      汽車牽引力要求不斷提高

       

      SiC MOSFET被認為是未來牽引逆變器應用中最有前途的半導體器件。測量證實,基于溝槽SiC-MOSFET(SiC-TMOSFET)三相電壓源的逆變器在汽車約束條件下,可以顯著提高電動汽車傳動系的效率。

       

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      漸進式電源模塊設計與CoolSiC技術的性能提升

       

      通過比較不同半導體技術的400V和800V DC母線電壓,可以發現,使用1200V SiC-TMOSFET的400V DC母線系統逆變器能耗降低了63%,可節省6.3%驅動周期;使用1200V SiC-TMOSFET的800V系統可減少69%的逆變器能耗,車輛能耗降低7.6%。由于在行駛循環模擬中沒有考慮電池系統重量減輕的影響,因此SiC降低車輛能耗的效果還不止這些。

       

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      采用SiC-TMOSFET技術降低車輛能耗

       

      英飛凌創新與新興技術負責人Mark Münzer指出:“電動汽車市場非?;钴S,為創意和創新奠定了基礎。隨著SiC器件價格大幅下降,SiC方案的商業化進程將進一步加快。這將促使更多注重成本效益的平臺采用SiC技術,以提高電動汽車的續航里程?!?/p>

      經測試,車規CoolSiC? MOSFET可實現短路魯棒性及高水平的宇宙射線和柵極氧化物魯棒性,這是設計高效可靠的汽車牽引逆變器和其他高壓應用的關鍵。HybridPACK Drive CoolSiC功率模塊完全符合汽車功率模塊AQG324標準。

      現代汽車電氣化開發團隊負責人Jin-Hwan Jung博士表示:“我們全球模塊化電動平臺(E-GMP)的800V系統使用基于CoolSiC模塊的牽引逆變器,車輛行駛里程提高了5%以上?!?/p>

      上面提到,Vitesco與ROHM簽訂了開發SiC電動汽車驅動器的協議,并將為現代汽車提供SiC逆變器,其實主機廠的貨源不止一個。

      安森美的1200V SiC肖特基二極管無反向恢復電流、溫度無關的開關特性和優異的熱性能,使之成為下一代功率器件選擇。SiC肖特基二極管也是一種全新技術,與硅相比,它具有優越的開關性能和更高的可靠性。系統的好處包括更高的效率、更快的工作頻率、更高的功率密度、更低的電磁干擾以及更小的系統尺寸和成本。

      CISSOID的三相SiC MOSFET IPM是一種基于輕質AlSiC平板基板的SiC MOSFET智能功率模塊(IPM),可滿足航空和其他特殊工業應用中針對自然空氣對流或背板冷卻的需求,同時有望大幅降低電動汽車動力總成系統的體積、重量及成本,并實現最佳能源效率。

       

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      CISSOID三相SiC MOSFET車用智能功率模塊

       

      CISSOID首席技術官Pierre Delatte表示:“越來越多的領先電動主機廠正在將SiC MOSFET用于牽引逆變器,其中有些還采用了非傳統的分立器件封裝。但是,目前很難找到為電機驅動而優化的SiC功率模塊來適配不同應用。另外,將快速開關的SiC功率模塊與柵極驅動器、去耦及水冷等整合為驅動總成,還要面對一些新的挑戰。因此,經過完全優化和高度集成的智能功率模塊解決方案可以為客戶節省大量開發時間和工程資源?!?/p>

      其新的風冷模塊(CMT-PLA3SB340AA和CMT-PLA3SB340CA)是專為無法使用液體冷卻的應用而設計的,如機電執行器和功率轉換器等。該模塊的額定阻斷電壓為1200V,最大連續電流為340A,導通電阻僅有3.25mΩ,開關損耗分別僅為8.42mJ和7.05mJ(在600V 300A條件下)。該功率模塊的額定結溫為175℃,柵極驅動器的額定環境溫度為125℃,AlSiC扁平底板冷卻熱阻較低,耐熱性強。

      意法半導體第二代SiC功率汽車級SiC功率MOSFET是650V 45A、55mΩ的H2PAK-7封裝器件,利用ST的先進和創新的第二代SiC MOSFET技術開發。該器件單位面積導通電阻極低,開關性能良好。開關損耗的變化幾乎與結溫無關。

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      ST SiC MOSFET標準化通態電阻與溫度的關系

       

      這款AEC-Q101認證器件采用非??旌蛷姶蟮谋菊黧w二極管,具有極低柵極電荷和輸入電容以及提高效率的源感應引腳。

      ST第二代SiC MOSFET額定擊穿電壓值從SCTxN65G2的650V到SCTxN120G2的1200V,并延伸到1700V。

      在電動汽車牽引電機或充電站及電機驅動等應用中,使用SiC MOSFET可使設計者獲得各種好處,包括減小功率級的尺寸和重量;實現更高的功率密度;減小功率電路無源元件的尺寸和成本;實現更高的系統效率;減輕熱設計限制,消除或減少散熱器的尺寸和成本。

      ST實驗室測試比較了第二代650V SCTH35N65G2V-7 SiC MOSFET與硅IGBT的開關損耗。SiC MOSFET具有更低的開關損耗,即使在高溫下也是如此。這使得轉換器或逆變器能夠在非常高的開關頻率下工作,從而減小其無源元件尺寸。當溫度超過175℃時,隨著溫度的升高電阻變化很小。

      SiC MOSFET的工作結溫高達200℃,開關損耗極低;無體二極管的恢復損耗;高溫功率損耗較少;易于驅動。

      UnitedSiC推出的6款全新650V和1200V SiC FET均采用行業標準D2PAK-7L表面貼裝封裝。這些器件有30、40、80和150mΩ版本,適用于電動汽車車載充電器和DC-DC轉換器、服務器和電信電源、工業電池充電器和電源等應用。

       

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      UnitedSiC的650V和1200V器件

       

      D2PAK-7L SiC FET支持大幅提高開關速度,通過開爾文(Kelvin)源極連接改善了柵極驅動器的回路性能,并具有業界領先的散熱能力。利用銀燒結技術可以在常規PCB及復雜絕緣金屬基板(IMS)上完成管芯貼附。此外,器件具有出色的爬電距離(6.7mm)和電氣間隙能力(6.1mm),這意味著即使在更高電壓下也可以確保最高的操作安全性。

       

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    開爾文源極連接

       

      這些SiC FET器件基于一種獨特的共源共柵電路結構,在這種結構中,常開SiC JFET與Si-MOSFET共同封裝組成常關SiC FET器件。該器件的標準柵極驅動特性允許硅IGBT、硅FET、SiC MOSFET或硅超結器件實現真正的“插入式替換”。這在用SiC替代硅器件的過程中是難能可貴的優勢。該器件具有極低的柵極電荷和特殊的反向恢復特性,非常適合開關電感負載和任何需要標準柵極驅動的應用。

       

      SiC走上紅地毯

      Yole功率電子與電池首席分析師Milan Rosina表示:“主機廠層面的競爭打開了兩條主要戰線:一是擁有成熟市場和知名品牌的傳統主機廠在轉向電動汽車。二是純電動汽車廠商正在世界不同地區涌現(如蔚來、里維埃、Rimac、小鵬和合眾),其中一些正在快速增加銷量?!毙峦瞥鲕囆屯哂懈咝詢r比,令前十大汽車銷量不斷變化。

      SiC現在已經走上了EV/HEV的紅地毯。過去幾年,特別是在特斯拉Model 3主逆變器引入SiC以來,應用勢頭愈演愈烈。但并非所有轉換器或電氣化都適合這種昂貴的材料。毫無疑問,BEV是贏家,因為它要求行駛里程長、充電時間短,需要提高轉換器效率,節省電池電力,SiC轉換器增加的成本因此得到了補償。

      如今,主機廠已經有很好的SiC組合可供選擇,因為許多半導體廠商都將SiC模塊作為電動汽車應用的主攻方向,預計到2026年,SiC模塊市場將占EV/HEV半導體市場的32%。


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