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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 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。O3Jednc

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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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。O3Jednc

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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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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。O3Jednc

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派恩杰的器件也遵循AEC-Q101测试规范,现在已在大量出货。O3Jednc

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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。O3Jednc

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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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