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用数据告诉你,SiC对汽车电动化有哪些重要意义?

时间:2019-05-09 作者:赵明灿 阅读:
汽车电动化是其中一大发展方向。纯电动汽车市场尚未成熟,目前存在几种过渡产品,分别在汽车电子方面具有怎样的特点和需求?SiC这种新功率器件材料在其中又扮演者怎样的重要角色?

智能驾驶是汽车电子的一大热门议题,涉及三个挑战:更安全、更绿色、更连接。汽车电动化是其中一大发展方向。纯电动汽车市场尚未成熟,目前存在几种过渡产品,分别在汽车电子方面具有怎样的特点和需求?SiC这种新功率器件材料在其中又扮演者怎样的重要角色?日前,ASPENCORE旗下电子工程专辑、国际电子商情和电子技术设计联合举办的第19届电源管理论坛(电动汽车快充和新功率器件技术)上,意法半导体(ST)功率分离器件市场部区域经理吕晓在其“ST功率产品助力汽车电动化”议题上,对此一一给出了答案。

吕晓介绍说,更安全是要求汽车能监控周边环境,并针对突发情况做出自主反映。更绿色是尽量减少汽车尾气排放。更连接是让汽车能够和外部网络建立更多连接,使之成为移动终端,让驾乘人员更好地和外部通信和娱乐。

他指出,电动汽车的发展受到产业链的限制,例如现在的一大瓶颈是电池,包括安全性、能量密度和便捷性等。目前大部分电动汽车都是使用锂电池,由于材料的限制,要想在短时间内提高电解电池的密度不太现实。随着锂电池成本的逐年下滑,一定程度可以促进电动汽车的发展。据相关机构预测,预计到2025年,电动车的成本将与传统燃油车相当。到2035年,电动车的总销量将超过4亿辆。

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MHEV、HEV、PHEV、BEV分别是什么?未来的发展方向又如何?

根据控制方式不同,电动汽车可分为几个类型:轻混电动(MHEV)、混动(HEV)、插电混动(PHEV)和纯电动(BEV)。

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轻混系统是在原有12V系统基础上增加了一个48V的电池组。这个48V电池组一方面连接12V电池组,另一方面用于电机驱动。它可以供给汽车上一些大功率用电设施,例如空调压缩机或助力转向系统。在汽车启动低力矩的情况下,它可以增加动力输出。

混动系统在48V的基础上增加了一个400V~800V的高压电池组,可以提供更大动力。

插电混动是在混动系统基础上增加了OBC,可以给高压电池组充电。

纯电动则是用电机完全替代燃油机,做到100%电气化。

总的来说,随着汽车电气化程度的增加,每公里的费用将会降低,排放也越低。但纯电动车现在所面临的几个问题是,续航里程还不够,充电时间长/便捷性不够,以及整车成本较高。

如下图所示,MHEV、HEV和PHEV作为汽车电动化的过渡类型产品,各方面的表现也是居中。由于纯电动车目前市场尚未成熟,因此据相关机构预测,这几种过渡类型产品未来几年的销量仍会增加。但纯电动车将会是最终方向。

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根据Strategy Analytics机构的研究数据显示,汽车由内燃机向电动车过渡所带来的电子器件成本的增加,由燃油车330美元的平均电子器件成本增加到48V轻混系统的513美元(包括电池管理,DC-DC转换器,牵引逆变器等),再到纯电动平均电子物料的成本为910美元。

在这当中,半导体的增长主要来源于功率器件

半导体以后的增长将来自于纯电动和插电混动。

纯电动汽车的简单架构

纯电动汽车需要加入电池组、电机连接/驱动,以及电池管理。涉及的主要部件包括OBC、DC-DC、电驱和电池管理系统,以及外部的充电设施,如充电桩。在这一领域,ST可提供的汽车级的产品包括32位MCU、功率模块、驱动IC、功率器件(如碳化硅MOSFET、IGBT)等。该公司目前正在配合全球20家以上的汽车制造商使用这些产品,吕晓透露说。

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碳化硅MOSFET为什么在汽车市场重要?具体又有哪些应用?

相比成熟的硅材料,SiC的产业链需要全新的布局。比如,SiC的可靠性、生产设备、缺陷密度以及成本都是较大挑战。但是SiC的性能非常明显,例如其临界击穿场强是Si的10倍。它在相同耐压情况下可实现更高的掺杂水平,进而实现更低的导通阻抗。同时,SiC可以实现更高的耐压水平,例如1200V甚至1700V。并且SiC现在还没有达到极限,后续还有提升空间。

另外的优势包括:SiC如果做到极限,阻抗可以做到Si的1/300;导通热阻可以做到3倍;可工作在更高的温度环境下。基于这些优势,SiC可以降低80%的开关损耗,对于方案的重量和体积都可以降低80%到85%。SiC最近受到关注,一个主要原因就是电动汽车的兴起。

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SiC带来的效率提升可以带来续航里程的增加。有数据指出,SiC可以使续航里程获得5%~10%的增加。

然而,从工艺水平看,SiC的良率还不如Si,因此成本比硅基器件要高,但是它可以带来整体成本的节省。

据相关机构研究,虽然在一辆电动车上采用SiC会多花300美金,但可换回总系统成本2000美金的节省,具体包括600美金的电池成本节省、600美金的电动汽车空间节省,以及1000美金的散热系统节省。而且SiC方案的电池容量不需要做到那么大,充电时间也可以降低50%。对于光伏应用,SiC的优势也非常明显。相比IGBT,SiC没有拖尾电流,可以工作在更高的开关频率(5倍的开关频率)下,并且功耗可以减少50%。带来的系统成本节省可以有20%,体积、重量可节省70%到80%,装配费用可降低50%。而且SiC可靠性比较好,可以保证10年使用寿命。

SiC的主要应用市场

在汽车市场,SiC主要应用在600V到1200V场合,包括电驱、OBC和DC-DC等项目。在电驱方面,SiC已经应用于续航超过600km的汽车中。OBC和DC-DC应用主要是可节省方案的尺寸,使电动汽车变得更轻。SiC也可以用在光伏发电、工业自动化、储能、充电桩等应用。对于1700V的场合,还有轨道交通、风能发电等应用。

在OBC和电驱方面,SiC MOSFET和Si基IGBT的比较

目前的11kW三相OBC拓扑中,有一些方案是用IGBT并联快恢复二极管的方式。而用SiC MOSFET则不需要并联这个二极管,因为它本身就有一个性能优良体二极管。

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从损耗上看,SiC MOSFET相比IGBT可以将损耗从300W 降至216W,从而减少散热片的尺寸。从开关频率看,IGBT一般工作在30kHz以下,而SiC可以工作在150kHz。此外,SiC器件可减小40%的体积和重量,效率可以提升0.8%。总的来说,SiC可减少器件尺寸,降低汽车重量,提高效率。

SiC在改善电驱性能方面也效果明显。首先,SiC MOSFET能在高耐压的前提下保持优良的特性,具备极低的内阻。其次,它自带方向恢复时间极小的体二极管。再次,由于没有拖尾电流的存在,能够工作在更高频率的状态下。另外SiC MOSFET能工作在更高的结温下,ST SiC MOSFET的最高结温可达200℃,可靠性优于IGBT。同时,SiC的驱动也比较简单,通用方案即可满足,ST也有自己的驱动芯片。

SiC由于其临界击穿场强更高,因此电压水平越高,其优势也越明显。例如,400V是目前乘用车大概的电压水平。在这个电压水平下,SiC的尺寸相当于IGBT(+二极管)的1/3,效率可提升2~5%。750V主要有挂车应用。在这种情况下,SiC的优势更加明显——尺寸只占到IGBT的1/5,效率可提升5~10%。

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对于1200V的应用,SiC相较于IGBT的优势如下。

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另外,在隔离方案方面,磁隔离是一种噪声比较小、可靠性比较高、设计比较灵活的方案。ST也是有一款磁隔离驱动芯片,专门配合SiC MOSFET使用。下图右边是设计建议。

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几点信息补充

另外,在会议结束后,吕晓在接收EDN采访时,给出了以下几点关键信息补充:

1. 48V系统相比12V系统可以提高4倍功率输出,并提高效率。目前大多48V系统会依然保留12V系统,用于多媒体、雨刷等功能。这需要加一个48V转12V DC-DC转换器。另外需要一个48V的电机,因此需要相应的驱动。ST为48V系统48V-12V DC-DC转换器和48V电机驱动提供了一整套汽车级的半导体器件方案,包括MOSFET,保护器件,驱动IC 和MCU。

对于48V-12V转换器,通常使用同步整流的方案。由于高低边工作状态的差别,对于MOSFET的某些规格的需求也不一样。高边管需要快速关断,需要Qg小的MOSFET;低边管电压相对较小,需要体二极管作为续流,所以需要低内阻、体二极管Qrr更小的MOSFET。

2. ST现在量产了第二代SiC MOSFET和第三代SiC二极管,通过了AEC-Q101认证。ST也是第一家量产汽车级SiC MOSFET的公司。

3. 目前SiC性能的提升受制于工艺水平。ST也在开发第三代SiC MOSFET,并计划在这之后的产品上采用沟槽工艺(vs现在的平面工艺),以期进一步降低内阻。目前其650V SiC MOSFET的内阻做到<20mΩ,1200V做到<30mΩ。工作结温高达200℃,同时在200℃的结温下依然保持低内阻水平(只相当于25℃常温下的1.3倍)。

4. 2018年ST SiC销售取得较大的增长,2019年预期将会比去年翻一翻。由于产能限制,ST尚不能满足全部客户需求。但是该公司也在这方面积极布局,例如与Cree签订长期裸片供货协议,计划收购瑞典SiC晶圆制造商Norstel的多数股权,扩充卡塔尼亚厂6英寸晶圆的产能等,从而满足更多需求。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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