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        SiC還是IGBT,新能源汽車如何選?
        2022-11-25 1478次

          碳化硅促進了電動汽車的進一步發展,使其成本更低,續航里程更長,設計更寬敞,功率密度更高。與標準內燃機相比,電動汽車不需要油箱和發動機,因此可以開發更多的差異化設計,更有效地利用內部空間,讓乘坐感覺更舒適。但由于車型有限、充電時間長、快速充電基礎設施不足、價格昂貴等因素,純電動汽車在全球新車銷售中的市場份額仍然很低。

          目前的市場上,SiC和IGBT仍然是各有 特點,本文分析它的技術差異,以及在主逆變器,OBC以及DC-DC轉換器中使用SiC所帶來的優勢。

          材料和零部件成本高是純電動汽車價格高昂的主要原因。如將電動動力總成定義為由電池、電機和逆變器組成,那么動力總成約占純電動汽車總成本的50%。在動力總成方面,電池成本占比超過60%。也就是說,電池成本占整車成本的35%以上。



          增加電力總成的功率密度是降低成本的一種方法。美國能源部制定了將高壓電力電子設備的功率密度提高7倍的目標,直到2025年。然而,由于安裝空間有限,特別是對于高性能汽車,高功率密度更為必要。因為增加功率密度可以降低動力總成部件的尺寸,進一步優化車輛的室內空間。

          目前,選擇硅IGBT該技術的功率模塊在電動汽車的應用中占主導地位。然而,經過幾十年的發展,硅基功率裝置正接近材料極限。因此,很難進一步提高其功率密度。



          因此,半導體行業一直在開發寬禁帶功率器件,例如碳化硅 MOSFET。美國能源部制定的功率密度目標正是基于寬禁帶功率器件的利用。

          寬禁帶功率器件比硅器件更昂貴,但因其功率組件的尺寸和重量減小,特別是在相同里程范圍內可節省電池容量,因此能夠降低整體動力總成成本。


          SiC 和Si技術特點差異分析

          碳化硅已成為功率器件中硅的替代材料。寬禁帶、更高的擊穿電場、提高的熱導率以及更高的工作溫度是碳化硅的4大關鍵優勢:



          ●碳化硅的禁帶比硅大 3 倍,可轉化為高 10 倍的擊穿電場。如需設計有高電壓(通常為 1200V 或更高)的單極器件,例如 MOSFET,使用碳化硅則會受益良多。

          ●碳化硅的熱導率是硅的 3 倍,與銅相似。因此,功率損耗產生的熱量可以以較小的溫度變化從碳化硅中傳導出去。

          ●由于較高的熔化溫度,理論上,碳化硅器件可以在 200°C 以上的溫度下良好運行。因為冷卻需求顯著降低,因而可以顯著降低冷卻系統的成本。



          由于較高的擊穿電場,碳化硅器件具有更薄的漂移層或更高的摻雜濃度。因此,與相同擊穿電壓的硅器件相比,它們具有更低的電阻。

          碳化硅可用于設計單極器件,例如高壓 MOSFET,理論上不產生尾電流。因此,相比于硅 IGBT,碳化硅 MOSFET 有更低的開關損耗和更高性能的體二極管,從而實現更快的開關頻率。

          碳化硅器件可以在更高的溫度下運行,可達到 200℃ 或更高。然而,封裝技術限制了最高工作溫度。為了使碳化硅運行在高溫度,許多新封裝技術正在開發中。

          碳化硅器件的芯片面積更小,產生的柵極電荷和電容也更小,可以實現更高的開關速度,降低開關損耗。



          碳化硅 MOSFET 可以在高開關頻率下工作,使磁性元器件更小,且功率損耗更低。低功率損耗與高工作溫度和高熱導率相結合,降低了冷卻需求,從而使得冷卻系統更小。在功率轉換器應用中,高開關頻率還可以減少輸出電容器。

          由于高擊穿電壓,在高壓應用中(例如,高于 600V)使用碳化硅 MOSFET可以采用簡化的拓撲,而硅 IGBT 因為其擊穿電壓通常在 650V 至 750V 的范圍內,所選取的拓撲則不盡相同。簡化的拓撲結構需要更少的組件,即更少的電源開關和柵極驅動器,以及在控制算法方面更少的設計工作量。

          單個碳化硅功率器件比硅等效器件成本更高,但使用碳化硅器件能夠節省系統成本,因為需要更少的組件、更小的無源組件尺寸、更小的冷卻系統、相同里程范圍內的更小的電池容量以及更少的設計開發工作量。



          SiC在主逆變器、OBC、DC-DC的應用

          如上所述,碳化硅功率器件在功率密度、效率和冷卻工作方面具有顯著的系統優勢,因為與硅 IGBT 相比,它們的損耗更低。在主逆變器、車載充電器 (OBC) 和 DC-DC 轉換器這些應用中,碳化硅的優勢尤為明顯。

          主逆變器不僅驅動電機,還用于再生制動并將能量回饋給電池。這意味著主逆變器確保了電池和電機之間的雙向能量傳輸。車載充電器是交流到直流電源轉換器,用于給電池充電。DC-DC 轉換器將能量從一個電壓等級傳輸到另一個電壓等級。

          下圖顯示了一種 DC-DC 轉換器(高壓到低壓),它將高壓電池的能量轉換為低壓的能量,為低壓電池充電并給 12V 電子系統供電。在其它電動車輛中,例如基于燃料電池的車輛,還有其他類型的 DC-DC 轉換器。

          碳化硅為主逆變器應用帶來了更高的逆變器效率、更小的系統尺寸、更低的系統成本和更長的行駛里程。車載充電器和 DC-DC 轉換器都是電源應用,碳化硅為它們提供更高的開關頻率FSW 、更高的效率、雙向操作、更小的無源元件、更小的系統尺寸和更低的系統成本。

          戴姆勒與英飛凌合作開展了碳化硅在主逆變器系統中的優勢研究。該項研究采用了英飛凌車規級功率模塊 HybridPACK? Drive的封裝形式,一款是基于750V EDT2 IGBT 的技術,另外一款則采用了 1200V CoolSiC? 碳化硅MOSFET 技術。

          能耗的比較是集中在400V 和800V 的240千瓦電動 SUV上利用WLTP循環來進行的。



          研究表明:在相同的行駛條件、行駛里程下,在配備了 1200V SIC MOSFET 的 400V 系統中,逆變器的能耗降低了 63%,從而在 WLTP 驅動循環中節能 6.9%。

          在配備了 1200V SIC MOSFET 的 800 V系統中,逆變器能耗降低 69%,整車能耗降低 7.6%。碳化硅對車輛能耗的降低仍被低估,因為沒有考慮電池系統重量減輕的影響。

          那么,在成本方面碳化硅的使用又帶來哪些益處呢?碳化硅逆變器比硅等效物更昂貴。然而,根據前述能耗的降低,車輛系統效率提高,因此需要更少的電池容量。由于電池成本節省超過了碳化硅增加的成本,因此可節省高達 6% 的系統成本。



          車載充電器通常具有兩個單元:AC-DC 升壓拓撲“功率因數校正”(PFC)單元,然后是隔離式 DC-DC 單元。PFC 可以通過多種拓撲結構實現,例如經典升壓和圖騰柱。與經典升壓拓撲相比,圖騰柱 PFC 表現出更高的功率密度和效率,因為它具有無橋 PFC,大大減少了二極管的數量。

          英飛凌也研究了碳化硅在 PFC 單元的益處。研究的器件是基于硅的 650V TRENCHSTOPTM F5 IGBT 和基于碳化硅的 1200V CoolSiC? MOSFET。

          在400V 輸出的 3.3 千瓦圖騰柱 PFC上進行了功率損耗的比較。使用 1200V的碳化硅 MOSFET,功耗降低了 52%。然而,1200V 碳化硅器件的功耗仍被低估,因為應該與 650V 碳化硅器件進行公平的比較。與 1200V 等效器件相比,650V 碳化硅器件具有更低的電阻和更低的傳導損耗。在任何情況下,碳化硅 MOSFET 都可以實現更高的效率。



          純電動汽車中的高壓到低壓DC-DC轉換器一般可轉換高達3KW功率高,效率高。必須將高壓電池與低壓系統隔離由于其效率高,隔離諧振轉換器是一個很好的應用。

          DC-DC轉換器大部分時間都在部分負荷下工作。例如,10%到20%的負荷使部分負荷的效率成為關鍵。

          英飛凌高性能硅基CoolMOS?CFD7非常結MOSFET效率好。使用新一代。CoolSiC?技術可以進一步提高效率,特別是在部分負荷下。

          以氫為能源的燃料電池電動汽車是另一種具有巨大市場前景的汽車。燃料電池電動汽車中有兩種類型的高壓DC-DC轉化器的應用。

          在典型的燃料電池系統中,有一個DC-DC變壓器,用于將燃料電池堆的電壓變壓到逆變器系統供電。另一個。DC-DC雙向轉換器將電池能量輸送到逆變器系統,并利用電機的再生能量為電池充電。此外,燃料電池汽車還有類似于其他電動汽車規格的逆變器系統。

          根據碳化硅功率器件的使用,可以改進DC-DC轉換器和逆變器系統的功率密度和效率。最后,客戶將受益于更少的氫消耗,因為氫的價格仍然很高,或者使用相同數量的氫,汽車可以達到更長的范圍。



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