广告

电动汽车突破充电速度和续航能力两大瓶颈要靠碳化硅!

2021-09-26 22:18:42 赵明灿 阅读:
未来汽车一定会采用800V电压平台。800V电压平台可以带来重量更轻、体积更小、效率更高的好处,而其中不管是电池的充放电还是电机驱动,都会用到功率器件,尤其是碳化硅。

目前电动汽车市场正在快速发展,而未来汽车一定会采用800V电压平台。800V电压平台可以带来重量更轻、体积更小、效率更高的好处,而其中不管是电池的充放电还是电机驱动,都会用到功率器件,尤其是碳化硅。Wwwednc

日前,派恩杰半导体(杭州)有限公司创始人&总裁黄兴博士于PCIM 2021展会上发表了“碳化硅功率器件的应用趋势与技术要点”主题演讲,并于会后接受了媒体采访。下面EDN就带大家了解下派恩杰对这一主题有怎样的理解,以及现在国产碳化硅器件的水平又如何。Wwwednc

Wwwednc

碳化硅可提高充电速度并节省线材

据介绍,现在不管是特斯拉Model 3,还是其他车企的电池,都还是400V的电压平台。未来,如果使用800V电压平台,充电速度可以从以前的1分钟充9km变成1分钟充27km,也即如果要充300km的话,十来分钟就可以充好,充电速度可以得到大大提高。Wwwednc

Wwwednc

同时,如果使用800V的系统,整个线材的电流会更小,线材的使用量会减少,也即可以节省铜线的成本,铜线的面积可以从95mm2降低到35mm2,在布局布线的时候,拐弯布局也可以更灵活。另一方面,从功率器件使用成本上来说,800V电压平台一般使用1200V的功率器件。从每kW数的成本来讲,800V电压平台的功率器件相比600V、700V或400V的功率器件要更便宜一些。Wwwednc

Wwwednc

电动汽车市场有多大?

随着碳中和的目标,我国国务院的指导纲要明确提出两个要求,一个是量的要求,一个是质的要求。到2025年我国质的要求就是乘用车平均百公里电耗要低于12度电,新能源汽车的年销量要占到20%。可以看到,就算是特斯拉Model 3目前百公里电耗也在15度电左右,未来汽车大概是23度电。要实现2025这个电耗目标还需要在技术上做一定的努力,因此,使用碳化硅也就一定绕不过去。Wwwednc

从市场容量上来说,如果按照去年的销量,一年销售2500万辆汽车,20%的汽车销量就是500万辆汽车。500万辆汽车大概要用到碳化硅6英寸片100万片,这个市场光主驱逆变器的使用预计就是500亿元人民币的市场。Wwwednc

1200V IGBT碳化硅的比较

下图是1200V的IGBT和1200V的碳化硅的比较。可以看到,IGBT在10kHz的效率和碳化硅10kHz的效率差不太多,但随着电机小型化以及静音的要求,就需要把开关频率提升到30KHz以上。以特斯拉为例,它的发动机转速是18000rpm,在高速运行下,可以通过提高频率使用更小的电机来达到更高的功率密度。碳化硅在高频下可以降低38%的损耗,在长期的正常行驶过程当中,可以综合提高5%-10%的效率。Wwwednc

Wwwednc

从成本上来讲,同样功率等级的碳化硅的成本大概是IGBT模块的2.5倍。虽然说这个成本是比IGBT高了许多,但是在同样的续航里程上,可以减少电池的装配容量。虽然说碳化硅可能贵了将近2000元人民币,但是,特别是长续航里程的车,电池成本可以节省3600-7000元人民币。总体来看,对车企来说,以目前的价格成本来说,用碳化硅已经更划算了。此外,碳化硅大概每年有20%的价格降幅,IGBT目前来说已经是地板价,不会再降了。Wwwednc

Wwwednc

从整体的产能投资预期来说,要满足每年500万辆汽车的需求,投资一条IGBT线需要70亿元人民币,而投资一条碳化硅线去满足这个500亿元的市场,只需要16亿元。Wwwednc

同时,用碳化硅有个好处,就是用高速的电机可以使电机的功率密度提高,同时减轻电机本身的重量。下图是10000rpm的电机和23000rpm的电机的对比,10000rpm的电机重量是16.4kg,而23000rpm的电机只有5.6kg。它的整个电机重量变成了1/3。Wwwednc

Wwwednc

什么是派恩杰?

据介绍,派恩杰取自PN Junction的音译,而PN Junction则是功率器件标准的代言。黄兴博士作为派恩杰的创始人,在碳化硅行业有十余年的经验。之前是在北卡州立大学,在美国留学和工作期间,经历了美国自然科学基金4000万美金的项目和Power America 1.4亿美元的项目。他本人是第一个在碳化硅6英寸片上做出3300V MOS功率器件的人;其两位导师,一位是IGBT发明人Jayant Baliga,另一位是ETO功率器件的发明人Alex Q. Huang——妥妥的学霸一枚。Wwwednc

Wwwednc

该公司成立于三年前,于2018年9月在杭州成立。其现在已经量产了650V、1200V和1700V等各种碳化硅的SBD和MOSFET。“我们的MOSFET有个特点就是我们的SDA指标是全球领先的,而且我们这个MOSFET产品目录应该是国产器件里面最全面的。我们也是与全球最大的碳化硅代工厂X-fab合作,他们有30年的车规历史。我们的芯片是由完全符合车规标准的生产线制造出来的,产能可以达到每年100kk,公司也具备相关的资质。我们也是JEDEC标准委员会的成员公司,制定碳化硅和氮化镓相关功率器件的测试标准。”黄兴介绍说。Wwwednc

产品路线图

下图是该公司目前已有的产品。除了碳化硅二极管和MOSFET,该公司也有部分氮化镓的产品。氮化镓主要是针对消费级产品,碳化硅主要是针对工业。工业包括数据中心、光伏逆变、储能和汽车。下图标红的芯片主要是面向汽车主驱逆变器的应用。Wwwednc

Wwwednc

派恩杰SiC MOSFET与竞品的性能对比

下图是派恩杰产品跟欧洲、美国、日本的大厂,以及某国产厂家的横向对比。所谓HDFM指标就是Rdson与Qgd乘积的平方根,这个指标是所有MOSFET专用的一个对比指标。如果芯片面积越大,它的Rdson就越小,但芯片面积越大,也会让电容越大,导致开关损耗越大。也就是说,Rdson决定器件的导通损耗,Qgd决定器件的开关损耗。因此,HDFM这个数字越小,就说明其综合损耗越小。派恩杰器件的特点就是在下图中所有功率MOSFET里面,其HDFM最小,也即在保证同样损耗的情况下,其开关损耗比别人更小。Wwwednc

Wwwednc

下图是测试板的实测对比。同样是1200V、800mV的器件,在800V的DC BUS电压下,用同样Rds和开关驱动去测试不同家的芯片,派恩杰的器件跟国际大厂相比更优。“Eoff其实大家都差不太多,因为碳化硅的关断损耗相对来说是比较低的,两者加起来主要还是看开关损耗,综合损耗来说我们应该是最低的。”黄兴表示。Wwwednc

Wwwednc

派恩杰的器件也遵循AEC-Q101测试规范,现在已在大量出货。Wwwednc

Wwwednc

氮化镓和碳化硅哪个更好?

很多人可能会问到底氮化镓和碳化硅哪个更好?派恩杰自己也有氮化镓产品,但其认为,碳化硅是更好的选择。“因为碳化硅应用在航空航天和军工中已经很多年的历史了,特别是平面技术已经应用了很多年,可靠性一直没有问题。这20多年在民品上使用的主要壁垒就是成本很高。我们随着2017年特斯拉导入碳化硅以后,碳化硅的成本每年降幅是非常可观的。随着这个产量规模的不断增加,其成本会越来越低,目前我们可以做到我们的门级TDDB失效寿命大概在1000年以下,整个失效率低于10个PPM。”黄兴解释说。Wwwednc

Wwwednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 适用于CSP GaN FET的简单高性能散热管理解决方案 本文将演示芯片级封装(CSP) GaN FET提供的散热性能为什么至少能与硅MOSFET相当,甚至更胜一筹。GaN FET由于其卓越的电气性能,尺寸可以减小,从而能在不违背温度限制的同时提高功率密度。本文还将通过PCB布局的详细3D有限元仿真对这种行为进行展示,同时还会提供实验验证,对分析提供支持。
  • 用于高达10kA功率扼流圈测量的晶闸管脉冲发生器 Bs&T Frankfurt am Main GmbH公司开发了一种基于晶闸管的新型脉冲发生器,并在各种感性功率器件上进行了测试。该脉冲发生器具有一些得益于晶闸管高脉冲电流处理能力的独特特性,与基于IGBT的系统相比,它具有一些主要优势。
  • SiC衬底的生产到底难在哪里? 全球“双碳”背景下,绿色能源的普及和汽车电动化已经逐渐成为了趋势。特斯拉首次将意法半导体生产的24个SiC MOSFET功率模块引入其Model 3的主逆变器中,推动了碳化硅功率器件市场的增长。
  • 全球碳化硅 (SiC)市场专利格局分析报告 碳化硅在电动汽车 (EV) 应用中的采用正在推动碳化硅 (SiC) 功率器件市场的增长。
  • 平衡音箱中并联升压转换器的功率分配 用于大功率便携式音箱(如拉杆音箱)的音频放大器通常使用锂离子电池供电,这些电池可以从单节电池到串联的几节电池不等。设计人员通常使用升压转换器为音频放大器产生电压,因为音箱的功耗可能超过几百瓦。
  • 10A电子保险丝可为48V电源提供紧凑型过流保护 传统上,过流保护使用的是保险丝。但是,保险丝体积庞大,响应速度慢,跳闸电流公差大,需要在一次或几次跳闸后更换。本文介绍一种外形紧凑、纤薄、响应速度快的10 A电子保险丝,它没有上述这些无源保险丝缺点。电子保险丝可在高达48 V的DC电源轨上提供过流保护。
  • 对温度变化不敏感的AB类20W电流增强器 本设计实例中所开发这个电路是为了解决我在AB类功率放大器设计中所遇到的一些缺点,同时保留了其所有优点。它将此前某2W音频放大器设计的功率水平推向了新的极限。
  • 英飞凌推出EiceDRIVER F3增强型系列栅极驱动器,为电力 英飞凌宣布推出EiceDRIVER F3 (1ED332x)增强型系列栅极驱动器,进一步壮大其EiceDRIVER增强型隔离栅极驱动器的产品阵容。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:PLC电力线载波通信 LD801是一款适用于12MHz以下窄带、高速或宽带中频电力线载波通信(PLC)的高性能线路驱动(功放)芯片,最大输出功率24dBm。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:屏蔽栅金属氧化场效 捷捷微电 (上海) 科技有限公司已推出的 N 沟道 100V 含自有先进平台 JSFET 系列中的 JMSH1001ATL ,采用了经 AEQ-101 验证、具超优热导性能的 PowerJE10x12 (TOLL) 创新型封装。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:高可靠性隔离式双通 纳芯微NSi6602-Q1是国内首款车规级高压隔离半桥驱动芯片,该芯片集高隔离耐压、高可靠性、高集成度、低延时、灵活封装配置等特性于一体,可应用在车载电源OBC/DCDC、车载电驱、充电桩、光伏储能、数字电源等泛能源重点发展领域。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:超高耐压贴片SJ-MOS 维安面向全球市场,在800V及以上超高压产品进行了大量的技术投入,经过近多年的超高压SJ-MOSFET产品研发积累,已开发出国内非常领先的工艺技术,可以将小封装,高耐压导通电阻做到非常低水平。给客户提供高功率密度的800V及900V以上耐压产品。此举填补国内空白,打破了进口品牌垄断的局面。降低对国外产品依存度。维安1000V超结工艺产品技术利用电荷平衡原理实现高耐压的低导通电阻的特性。相比VD-MOSFET 结构工艺产品,SJ-MOSFET有更好的更小封装和成本优势。目前市场使用1000V耐压MOSFET,多以TO247, TO-3P甚至TO-268超大封装。维安1000V器件WMO05N100C2,使用TO-252/DPAK贴片封装,内阻低至3.5Ω,相比同规格VDMOSFET 6-7Ω 下降1倍。目前在工业控制,中低压配电等380VAC输入场景得到广泛应用。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了