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电动汽车从400V架构过渡到800V架构:转向宽禁带半导体成必然趋势

2023-09-11 14:40:00 Navdeep Saboo,Frost & Sullivan行业分析师 阅读:
GaN和SiC等宽禁带半导体(WBG)正在推动向800V电动汽车系统的转变。

过去两年,全球汽车市场对电动汽车(EV)的需求快速增长。尽管新冠疫情严重影响了汽车市场,但电动汽车销量在2020年和2021年仍实现了创纪录的增长。例如,2021年,全球电动汽车销量(纯电动汽车和插电式混合动力汽车)总计约580万辆,较2020年增长约79.3%。预计未来五年市场将持续呈两位数增长。UwYednc

这一增长将受到各地区政府所实施的重大财政补贴措施所推动,例如购买补贴和车辆登记退税。此外,世界各国政府的快速脱碳战略将有助于电动汽车销量的增长。全球超过20个国家已宣布在未来10到30年内逐步淘汰传统的内燃机汽车;全球超过100个国家已制定目标,在未来几十年内实现净零排放。UwYednc

此外,几家领先的原始设备制造商(OEM)还宣布了富有远见的计划,重新配置其产品线,以应对预期的电动汽车繁荣。下面列出了一些最近的OEM厂商公告:UwYednc

  • 沃尔沃制定目标,从2030年起实现100%电动汽车销量;
  • 福特从2030年起在欧洲的电动汽车销量将达到100%;
  • 通用汽车从2035年起将仅销售电动轻型汽车(LDV);
  • 大众汽车宣布,到2030年,其在欧洲的电动汽车销量将达到70%,在中国和美国则将为50%;
  • 斯泰兰蒂斯(Stellantis)宣布,到本世纪末,其在欧洲的电动汽车销量将达到70%,在美国则将为35%。

为什么要从400V电池系统转向800V电池系统?

2021年,电动汽车占全球汽车销量的9%以上,较2019年增长近四倍。由于上述因素,预计未来几年电动汽车的渗透率将继续保持高增长轨迹。UwYednc

然而,要想成功替代目前占主导地位的内燃机汽车,下一代电动汽车需要具有更长的续航里程、更快的充电速度和更大的功率输出。为了解决这个问题,电动汽车电池架构需要更高的电压,因此从400V到800V的转变不可避免。UwYednc

从400V转换到800V有以下好处:UwYednc

  • 充电输出功率高达350-360kW,与400V电池系统相比,充电时间缩短50%。这些车辆有可能在23分钟内从5%充电到80%(续航里程为200英里)!在超快充电速度的情况下,也就无需电池达到1000km的续航里程。
  • 将电池电压从400V加倍至800V,可降低充电所需的电流,从而减少过热并提高功率保持能力。这有助于实现更长的行驶里程和更高的性能水平。

截至2022年中期,市场上的大多数电动汽车均采用400V电池系统。然而,电动汽车制造商意识到了转向800V架构可以带来的技术商业优势。因此,预计未来几年将会向800V系统迅速过渡,到2027-2030年,超过90%的电动汽车可能会配备800V电池系统。UwYednc

目前,800V电动汽车正处于商业化的早期阶段。奥迪、保时捷、现代和起亚等汽车制造商已经销售800V电动汽车系统,而路西德(LUCID)汽车公司则在其车型Lucid Air中内置了900V电池系统。2019年所推出的保时捷Taycan是市场上首款800V电动汽车,其充电功率为270kW,而Lucid Air则是目前市场上充电速度最快的电动汽车,其充电功率为350kW。现代汽车承诺到2025年推出23款配备800V系统的电动汽车车型。UwYednc

宽禁带半导体:实现向800V电动汽车系统的转变

硅基MOSFET和IGBT是电动汽车行业的主导功率半导体器件技术。然而,硅基功率半导体在400V电动汽车中已达到理论性能极限。因此,随着移动行业向800V电池架构过渡,需要使用比硅基半导体更好的宽禁带(WBG)半导体等新型材料,以提供更好的电气性能和热性能。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是两种在电动汽车中获得最大吸引力的宽禁带半导体材料,适用于牵引逆变器、车载充电器和DC-DC转换器等应用。具体而言,SiC继续吸引着所有主要电动汽车制造商的更多兴趣,并被认为是电动汽车中800V电池系统的必然选择。所有主要汽车OEM都致力于在当前和未来的产品中开发800V电动汽车系统。UwYednc

牵引逆变器中的SiC:支持800V电动汽车的关键应用

牵引逆变器是影响车辆整体性能的最关键的电动汽车系统之一。牵引逆变器在电动汽车中的关键作用是:UwYednc

  • 将电池的直流电转换为牵引电机的交流电;
  • 将交流电转换回直流电,实现再生制动;
  • 根据驾驶员的油门输入控制电动汽车电机速度。

其重点正在向开发基于SiC模块的800V牵引逆变器转变。多家汽车一级供应商已经展示了他们的800V逆变器性能。德尔福科技(现已被博格华纳收购)是业内第一家利用Wolfspeed的SiC MOSFET批量生产800V SiC逆变器的公司。迈凯伦应用材料公司于2022年初展示了其基于800V SiC的牵引逆变器(第五代逆变器平台)。Vitesco与北美一家主要汽车制造商(福特或Stellantis)签署了一项价值近10.8亿美元的协议,从2025年起由其提供800V牵引逆变器。同样,马瑞利于2022年中期推出了800V SiC牵引逆变器平台。同样,博格华纳正在为一家德国电动汽车OEM厂商开发基于SiC的逆变器。UwYednc

SiC在电动汽车牵引逆变器的宽禁带半导体竞赛中处于领先地位

在800V牵引逆变器中使用SiC MOSFET,可实现更快、更高效、更轻量的电动汽车传动系统。与Si相比,SiC所产生的热量更少,对温度的敏感性更低,并且能够实现更高效的电源开关。所释放的热量越少,冷却系统就越轻,从而使逆变器的占位面积更轻、更小。SiC的禁带宽度较高,因此高温下的漏电流较低,而高临界场电压则显著降低了导通电阻,从而可实现更小、更薄的器件。这可以降低开关损耗,提高载流能力,并实现更快的开关。导热性是SiC脱颖而出的另一个关键方面。SiC模块可处理高达200℃的结温,而Si则可处理高达80℃的结温。另一种著名的宽禁带半导体——GaN——则在800V电动汽车应用中处于开发和应用的利基阶段。UwYednc

Si、SiC和GaN材料特性的比较如图1所示。UwYednc

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图1:Si、SiC和GaN三种材料的性能比较。UwYednc

面向800V电动汽车应用的GaN在引领技术进步

GaN的禁带宽度、临界电场和饱和速度与SiC几乎相当甚至更好。然而,其低导热率对应用于电动汽车牵引逆变器等大功率高温度的应用提出了挑战。对于GaN而言,650V模块是在400V电动汽车系统中应用的最佳选择,而该系统几乎由成熟的硅基芯片所主导。然而,当电压增加到800V时,GaN由于其较低的热导率而会有效率损失。该行业正在致力于开发垂直/3D GaN结构以支持大功率电动汽车应用。UwYednc

如前所述,面向电动汽车800V系统的GaN技术仍处于早期商业化阶段。目前的GaN器件与其他功率器件(Si基和SiC基)的主要区别之一是前者主要采用横向器件结构来导电(Si基GaN、SiC基GaN或蓝宝石基GaN),而后者(Si和SiC)则为垂直传导。因此,为了利用横向GaN获得更高的电压,裸片尺寸需要变得更大,从尺寸调整的角度来看这是不可行的。UwYednc

一些行业创新者正在致力于通过垂直GaN结构和横向结构中的卓越封装技术等进步来提高GaN器件的效率,以使GaN FET可用于800V电动汽车应用。例如,Odyssey Semiconductor最近展示了其1200V垂直(GaN基GaN)器件,工程样品预计将于2023年由多家汽车OEM厂商进行测试。垂直GaN结构以尽可能小的裸片尺寸为目前仅由Si和SiC满足的电压和功率水平带来了GaN的高开关效率优势。同样,NexGen Power Systems最近测试了其商业上可行的1200V垂直GaN Fin-JFET。VisIC Technologies和hofer powertrain合作,使用VisIC的横向D3GaN(直接驱动d模式)技术来开发用于电动汽车的3级800V GaN牵引逆变器。2022年初,Transphorm展示了其1200V横向GaN功率晶体管,预计将于2023年提供样品。此类技术发展和热议凸显了GaN成为电动汽车应用市场颠覆者的潜力。UwYednc

即使对于采用400V架构的电动汽车,OEM厂商也可能必须从Si转向宽禁带

虽然出于显而易见的原因,转向800V电动汽车不可避免,但值得注意的是400V系统不会被逐步淘汰。400V电动汽车预计将用于成本敏感的市场。此外,由于全球各国制定了新的效率目标,即使是400V电池系统的电动汽车也可能在短期内追随特斯拉的脚步过渡到SiC(400V特斯拉Model 3中用到SiC模块)。例如,中国在2020年发布了2021年至2023年汽车销售目标,其中已将某些电动汽车的最大可接受能耗从约23kW/100km降低至约18kW/100km。SiC由于其耐热性、低导通电阻和比Si更快的开关速度,每千瓦时的行驶里程可提高近5-10%。因此,罗姆半导体和意法半导体等公司也在为400V电动汽车提供SiC解决方案。此外,博格华纳于2021年底宣布,一家领先的欧洲汽车制造商将在电动汽车中使用其400V SiC牵引逆变器,并预计将于2023年投入生产。UwYednc

SiC供应链挑战和不断发展的行业关系

随着SiC成为电动汽车的重要趋势,芯片制造商迫切需要更好的规划,确保最佳产能和强大的供应链,从而应对电动汽车即将出现的SiC激增问题。从平面结构到沟槽结构的转变、从6英寸到8英寸晶圆的转变以及产能扩张举措,将带来成本和性能优势。此外,为了改善SiC晶圆缺陷问题并实现SiC供应链的自给自足,业界正在见证半导体公司收购供应方公司的垂直整合趋势。此外,汽车OEM厂商正在尝试设计和制造自己的牵引逆变器,从而与芯片制造商建立直接关系,这在传统行业中并不常见。为了帮助汽车OEM厂商进行逆变器设计,芯片设计和制造供应商以及多家工程咨询公司正在向汽车制造商提供基于软件的交钥匙解决方案,以便加快逆变器的开发速度。UwYednc

总结

随着电动汽车行业从400V电池系统转向800V电池系统,转向宽禁带半导体似乎不可避免。SiC由于其技术规格,目前已成为汽车制造商的完美选择。GaN是一种相对较新且利基的技术,由于其低热导率和横向结构,目前在电动汽车动力应用中的运用受到限制。然而,垂直GaN结构和先进封装等技术进步预计将为800V电动汽车牵引逆变器中的GaN提供巨大的市场机会。UwYednc

短期内,由于全球各国制定了严格的排放和效率标准,高端400V电动汽车也可能采用基于宽禁带的牵引逆变器。从长远来看,入门级和中级400V电动汽车(主要是在成本敏感市场)最终将过渡到SiC和GaN技术。UwYednc

该行业正在见证传统供应关系的彻底变革。汽车OEM厂商和一级供应商希望通过与芯片制造商的战略合作和直接关系来确保其零部件和芯片供应。此外,汽车制造商正转向内部设计牵引逆变器,而不是依赖一级供应商。此外,芯片制造商通过收购供应方公司进行垂直集成,以更好地控制供应质量和产品开发。电动汽车中从400V电池系统过渡到800V的预期速度是业界以前从未见过的,而半导体领域在实现这一目标方面发挥着至关重要的作用。由于硅不再能够满足电动汽车的性能需求,宽禁带半导体的竞争已经全面展开。无论是Si、SiC还是GaN,这些器件技术都将找到维持市场转型的方法,并将共存,没有任何技术可以完全取代其他技术。剩下的问题就是谁能分到对方的份额!UwYednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:The transition of e-mobility from 400V to 800V architecture – An Inevitable move towards WBG semiconductors,由Franklin Zhao编译。)UwYednc

本文为《电子技术设计》2023年8月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里UwYednc

责编:Franklin
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