碳化硅如何實(shí)現(xiàn)助力電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用

本文將重點(diǎn)介紹碳化硅技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的硅基器件相比，碳化硅 （SiC）組件具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)（例如高效率和低損耗），使其成為多種電源解決方案的正確解決方案。
介紹

過(guò)去幾年，電力行業(yè)市場(chǎng)受到一些相關(guān)趨勢(shì)的影響。例如，在 1999 年，我們推動(dòng)了對(duì)模擬功率器件的大量需求的電信熱潮。計(jì)算和移動(dòng)設(shè)備趨勢(shì)緊隨其后，后者主要需要低壓電源解決方案。大功率器件的下一個(gè)相關(guān)趨勢(shì)近開(kāi)始于涉及汽車(chē)行業(yè)的深度轉(zhuǎn)型。碳化硅技術(shù)在今天無(wú)處不在。如圖 1 所示，SiC 二極管、MOSFET 和模塊廣泛應(yīng)用于電源應(yīng)用，例如：云服務(wù)器、交通運(yùn)輸、EV 電池充電器和光伏逆變器。盡管仍然是一項(xiàng)新興且相對(duì)較新的技術(shù)，但碳化硅已經(jīng)能夠提供可靠和高效的電源解決方案：這就是汽車(chē)行業(yè)選擇它的原因。

圖1：SiC基功率器件的主要應(yīng)用
碳化硅的汽車(chē)應(yīng)用
據(jù)廣泛接受的估計(jì)，2017 年碳化硅應(yīng)用于汽車(chē)的收入為 700 萬(wàn)美元。在未來(lái)五年內(nèi)，這一趨勢(shì)將增加 300 倍，到 2022 年將達(dá)到 24 億美元。估計(jì)十年內(nèi)所有制造的汽車(chē)中有一半將是電動(dòng)汽車(chē)；此外，排放標(biāo)準(zhǔn)在世界其他地方變得越來(lái)越嚴(yán)格。因此，如果其他稱(chēng) 2027 年市場(chǎng)將達(dá)到 100 億美元，也就不足為奇了。與普通硅器件相比，碳化硅技術(shù)提供更高的開(kāi)關(guān)頻率和功率密度。因此，汽車(chē)應(yīng)用可以受益于更小尺寸的設(shè)備、更小的無(wú)源元件和更簡(jiǎn)單的冷卻。僅僅一年時(shí)間，從2017年到2018年，選擇基于 SiC 的逆變器原型的汽車(chē)公司的累計(jì)數(shù)量急劇增加。據(jù)我們今天所知，80% 的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)活動(dòng)以某種方式涉及碳化硅。剩下的 20% 可能很快就會(huì)跟進(jìn)。碳化硅功率 MOSFET、二極管和模塊的主要汽車(chē)應(yīng)用如下：
車(chē)載電動(dòng)汽車(chē)充電器；
DC/DC 轉(zhuǎn)換器；
傳動(dòng)系逆變器。
車(chē)載 EV 充電器 （OBC）

該應(yīng)用包括為 PHEV 和 BEV 汽車(chē)電池充電，通常在家里、車(chē)庫(kù)或配備齊全的停車(chē)場(chǎng)進(jìn)行。完整運(yùn)行大約需要 6-8 小時(shí)，今天涉及的功率水平高達(dá) 6.6 kW（即使它們將在未來(lái)幾年變成 11kW 甚至 22kW）。操作原理非常簡(jiǎn)單：從插座中取出 90-265 VAC 電源，將汽車(chē)轉(zhuǎn)換為直流電源，然后用于為電池充電。這種應(yīng)用的關(guān)鍵因素是：高效率、高功率密度和（提供）雙向能量流。碳化硅技術(shù)符合所有這些要求，因?yàn)榕c等效的硅基解決方案相比，它具有更高的效率、更小的尺寸和更低的成本。一個(gè)典型的雙向 6 的框圖。6kW 碳化硅 OBC 如圖 2 所示。它由一個(gè)圖騰柱 PFC 級(jí)（兩個(gè)相同的并聯(lián)工作的器件）和一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器（LLC 諧振槽）組成?？偣残枰?16 個(gè) SiC MOSFET，例如采用高性能 TO247 封裝的 C3M 系列，能夠?qū)崿F(xiàn)高于 96% 的峰值效率。

圖 2：基于 SiC 的 OBC 的框圖
基于 SiC 的解決方案帶來(lái)的好處很簡(jiǎn)單：更低的損耗（意味著更小的尺寸）、更高的頻率（更小的無(wú)源元件）和更高的效率（更簡(jiǎn)單和更小的冷卻）。
電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)

用于 BEV 動(dòng)力系統(tǒng)和商用車(chē)輛的傳動(dòng)系統(tǒng)是一項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。它處理的功率范圍從 90 到 350 kW 及以上，但沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)：這是一個(gè)完全開(kāi)放的領(lǐng)域，這使它成為一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。該應(yīng)用的關(guān)鍵因素是：車(chē)輛續(xù)航里程延長(zhǎng)、電池和系統(tǒng)成本降低、用于再生制動(dòng)的雙向能量流。碳化硅技術(shù)在該領(lǐng)域也具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，可將系統(tǒng)尺寸縮小多達(dá) 30%、損耗降低多達(dá) 80% 并降低系統(tǒng)成本。德?tīng)柛＿M(jìn)行了一項(xiàng)基準(zhǔn)比較，比較了硅基 IGBT 與 SiC MOSFET 的效率，兩者都用于車(chē)輛 200kW 逆變器。在相同的電壓和開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，SiC MOSFET 實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 80% 的逆變器損耗降低，

圖 3：車(chē)輛逆變器中的 Sic 與 IGBT 驅(qū)動(dòng)器損耗
福特是汽車(chē)應(yīng)用碳化硅功率器件評(píng)估的先驅(qū)，也進(jìn)行了類(lèi)似的測(cè)試?；鶞?zhǔn)測(cè)試表明，與硅相比，碳化硅技術(shù)在 EPA 地鐵公路循環(huán)的純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式下將逆變器損耗降低了約 78%。反過(guò)來(lái)，對(duì)于相同的電池尺寸，這可以使續(xù)航里程增加 7-10%，或者相同續(xù)航里程的電池容量減少 7-10%。
碳化硅 MOSFET 如何實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

如前所述，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)全新的領(lǐng)域：沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，原始設(shè)備制造商也沒(méi)有遵循共同的方式。Wolfspeed 采用的方法側(cè)重于芯片本身，提供不同的布局，每種布局都有自己的尺寸、金屬化、電流和電壓規(guī)格（圖 4）。這種方法的關(guān)鍵特性是基于互操作性：不同的芯片尺寸、柵極布局和金屬化可以滿足不斷發(fā)展的行業(yè)不斷變化的需求，從而實(shí)現(xiàn)碳化硅技術(shù)的廣泛采用。

圖 4：具有不同布局和特性的芯片
外置充電器

典型的非車(chē)載充電器系統(tǒng)如圖 5 所示。它與服務(wù)器機(jī)架非常相似，其中每個(gè)機(jī)架由一系列 20kW 模塊組成。每個(gè)模塊的輸入是交流三相電壓，后跟濾波器和 DC/DC LLC 級(jí)。實(shí)施此功能的充電站如今能夠提供快速充電：繞過(guò)車(chē)載充電器，可以實(shí)現(xiàn) 30 分鐘的充電持續(xù)時(shí)間。功率級(jí)別在 80kW 到 150kW 之間，多個(gè) 15-20kW 模塊能夠?yàn)?PHEV 和 BEV 電池充電。這種應(yīng)用需要高效率和功率密度的設(shè)備，這反過(guò)來(lái)又允許更小的站。

圖 5：電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)框圖
關(guān)于硅基 IGBT，碳化硅 MOSFET 在此應(yīng)用中也提供更好的性能：效率提高 2% 以上，功率密度增加 33%，系統(tǒng)成本更低，組件更少。
碳化硅可靠性
碳化硅已被證明是一種成熟的技術(shù)，具有多種具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。然而，除非技術(shù)可靠，否則任何技術(shù)都不會(huì)進(jìn)入汽車(chē)。可靠性不僅僅意味著通過(guò)資格或擁有 PPAP。長(zhǎng)期的可靠性需要一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要在幾年內(nèi)收集現(xiàn)場(chǎng)故障率數(shù)據(jù)。硅技術(shù)已經(jīng)存在了 60 年，因此已經(jīng)可以獲得大量真實(shí)數(shù)據(jù)。
相反，碳化硅技術(shù)才問(wèn)世八年。因此，需要數(shù)據(jù)外推進(jìn)行深入的壓力測(cè)試。Wolfspeed和可靠性評(píng)估證明了 SiC 的成熟度，具有 100 萬(wàn)小時(shí)的 V DS外推壽命和 1000 萬(wàn)小時(shí)的 V GS外推壽命。成功的產(chǎn)品和現(xiàn)場(chǎng)可靠性表明 SiC 已準(zhǔn)備好用于大批量制造和高可靠性應(yīng)用，例如汽車(chē)。
現(xiàn)場(chǎng)失效率是可靠性評(píng)估的重要指標(biāo)。Wolfspeed 已發(fā)布產(chǎn)品超過(guò) 5.7 萬(wàn)億場(chǎng)小時(shí)，在其剛剛推出的第三代 SiC MOSFET 上實(shí)現(xiàn)了 4.1 FIT 率（每十億器件小時(shí)有效場(chǎng)故障），在老一代器件上實(shí)現(xiàn)了 3.7 FIT 率。由于汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)通常要求 FIT 率為 10ppm，因此碳化硅證明了其對(duì)此類(lèi)應(yīng)用的長(zhǎng)期可靠性。
結(jié)論
如今，汽車(chē)應(yīng)用正在為高功率設(shè)備帶來(lái)巨大機(jī)遇，而且這種趨勢(shì)將持續(xù)下去，并可能在未來(lái)幾年內(nèi)增加。能源工業(yè)市場(chǎng)將受到拖累，受益于碳化硅技術(shù)提供的相同優(yōu)勢(shì)。碳化硅的價(jià)值被很好地理解和接受，再也沒(méi)有人問(wèn)為什么碳化硅了。由于對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有很大的興趣，供應(yīng)商必須靈活并能夠?yàn)橄到y(tǒng)解決方案提供多種方法。與傳統(tǒng)的硅基器件相比，碳化硅在汽車(chē)應(yīng)用中具有重要的優(yōu)勢(shì)：提高功率密度、提高系統(tǒng)效率、范圍擴(kuò)展、降低系統(tǒng)成本和長(zhǎng)期可靠性。碳化硅已經(jīng)存在于汽車(chē)中，但我們才剛剛開(kāi)始。