碳化硅SiC：純電動汽(qi)車BEV動力總成邁向成功(gong)的基石

根據各方面所預(yu)計，電動(dong)(dong)(dong)汽車(che)(che)(che) EV 市場(chang)正(zheng)在迅速增(zeng)長。國際能源(yuan)署 2019 年(nian)(nian)(nian)電動(dong)(dong)(dong)汽車(che)(che)(che) EV 展望報告指(zhi)出，2018 年(nian)(nian)(nian)全球電動(dong)(dong)(dong)汽車(che)(che)(che) EV 數(shu)(shu)量(liang)(liang)超(chao)過 510 萬(wan)(wan)輛，比(bi)(bi)前一年(nian)(nian)(nian)增(zeng)加(jia) 200 萬(wan)(wan)輛。此外，截止到 2018 年(nian)(nian)(nian)年(nian)(nian)(nian)底(di)，電動(dong)(dong)(dong)公共(gong)汽車(che)(che)(che)、輕型商用車(che)(che)(che) (LCV)、電動(dong)(dong)(dong)兩輪車(che)(che)(che)的數(shu)(shu)量(liang)(liang)分(fen)別為(wei)(wei) 46 萬(wan)(wan)輛、25 萬(wan)(wan)輛和(he) 2.6 億(yi)輛。電動(dong)(dong)(dong)汽車(che)(che)(che) EV 在同年(nian)(nian)(nian)的總耗電量(liang)(liang)約為(wei)(wei) 58 TWh。如果與相同數(shu)(shu)量(liang)(liang)的內燃機 (ICE) 車(che)(che)(che)輛相比(bi)(bi)，則相當于減少(shao)了(le) 3,600 萬(wan)(wan)噸二氧(yang)化碳(tan)排(pai)放。

預計這(zhe)一綠色環保(bao)的趨勢將繼(ji)續保(bao)持下去。Research and Markets 等分(fen)析機構估計，2020-2030 年全球(qiu)電動汽車(che) EV 市場(chang)份額(e)將增長 19.8%，達到近(jin) 1.3 萬億(yi)美元。[2]

電(dian)動(dong)汽車 EV 動(dong)力(li)總成(cheng)

強大、輕量、高效的純電(dian)動(dong)汽車 BEV 動(dong)力(li)總(zong)成使(shi)得我們向(xiang)全電(dian)動(dong)交通工具方向(xiang)的邁進成為可能。該動(dong)力(li)總(zong)成（圖 1）包括：

1、一個車載充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，帶有(you)AC/DC轉換(huan)(huan)器（將(jiang)(jiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)轉換(huan)(huan)為(wei)直流中間(jian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓）和DC/DC模(mo)塊（將(jiang)(jiang)直流轉換(huan)(huan)為(wei)給電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)快速充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)所需的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓）。充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)還能(neng)通過再(zai)生制動(dong)，將(jiang)(jiang)回收的(de)能(neng)量(liang)輸送到電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)。理想(xiang)情況下，充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)應實現雙向充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)功能(neng)，以(yi)便能(neng)夠利用未來的(de)智能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)，并(bing)根據需要將(jiang)(jiang)能(neng)量(liang)輸送回電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)網(wang)或家庭。

2、一個電池組。

3、一(yi)個逆變器(qi)，它是動(dong)力傳(chuan)動(dong)的一(yi)部分(fen)，用于驅動(dong)電機（通常是永磁同步電機 [PMSM] 或感應電機）。

碳(tan)化硅SiC：純電動汽車BEV動力總成邁向成功的基石

圖 1：純電動(dong)汽車 BEV 動(dong)力總成包(bao)括車載充電機（電池左側）、電池本身和動(dong)力傳動(dong)（包(bao)含(han)驅動(dong)牽引電機 [電池右側] 的逆(ni)變器）。

純(chun)(chun)電(dian)動(dong)汽車(che)(che) BEV 市(shi)場的(de)成(cheng)功與否，關鍵在于汽車(che)(che)制(zhi)造商(shang)(shang)能否解決消費者(zhe)的(de)“續航里程焦(jiao)慮”。要增加純(chun)(chun)電(dian)動(dong)汽車(che)(che) BEV 的(de)續航里程（即兩次(ci)充電(dian)之間可行駛的(de)距離），汽車(che)(che)制(zhi)造商(shang)(shang)可通(tong)過增加電(dian)池尺寸、提高系統效率、減輕重量或實施所有(you)這些措施來實現。

例如，市(shi)場(chang)調(diao)研機構 Adamas Intelligence 稱，特斯拉在部(bu)署(shu)電(dian)(dian)池(chi)容(rong)量方面(mian)占據(ju)主(zhu)導地位(wei)，原因是(shi)特斯拉的(de)(de)純(chun)電(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)(che)(che)BEV使用(yong) 60 到 100 kWh 的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)，相比之下，2019 年上半年售(shou)出的(de)(de)所(suo)(suo)有(you)電(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)(che)(che) EV （純(chun)電(dian)(dian)動(dong)汽(qi)車(che)(che)(che)BEV和(he)所(suo)(suo)有(you)其他類型）的(de)(de)全球銷售(shou)加權平(ping)均電(dian)(dian)池(chi)容(rong)量為 19.7 kWh。[3] 隨著新(xin)款(kuan)沃(wo)爾沃(wo) XC40   Crossover（配備 78 kWh 電(dian)(dian)池(chi)組(zu)）、2020 款(kuan)梅賽德斯-奔(ben)馳 EQC（80 kWh）、2019 款(kuan)奧迪(di) E-Tron（95 kWh）和(he) 2019 款(kuan)日產(chan) Leaf Plus（62 kWh）的(de)(de)面(mian)世，全球發展趨勢正在迎頭趕上。

然而，額外的電池容量(liang)也增加了(le)純(chun)電動汽車 BEV 的重量(liang)和成本。因(yin)此，減輕(qing)動力(li)總成的重量(liang)并提高(gao)效率，可以進一步增加純(chun)電動汽車 BEV 續航里程或控(kong)制成本。

實現這一目(mu)標的關鍵技(ji)術(shu)(shu)是碳(tan)化(hua)硅 SiC。與傳(chuan)統硅 Si 技(ji)術(shu)(shu)相比，碳(tan)化(hua)硅 SiC 器件可提供(gong)：

●比(bi) 硅 Si 低(di) 2 到 3 倍(bei)的導通(tong)壓降

●額定溫度(du)下，比硅 Si 更(geng)低的漏電流

●開(kai)關時更高的邊緣(yuan)速率（由于是多數載流子器件）

●比(bi)硅(gui) Si 高 10 倍的(de)擊穿(chuan)場(chang)強，使得相(xiang)同封裝的(de)碳化(hua)硅(gui) SiC 器(qi)件能夠承受更高的(de)電壓

●更高(gao)的熱(re)導性，能夠在更高(gao)的芯片溫(wen)度下實(shi)現安全運行(xing)

減輕重量

將動力(li)總成的(de)(de)部件(jian)保持在(zai)一個安(an)全的(de)(de)工作溫度(du)范圍內需要借助冷(leng)卻系統，而這(zhe)會大大增(zeng)加純電動汽車(che) BEV 的(de)(de)行(xing)車(che)自重(zhong)。碳(tan)化硅(gui) SiC 的(de)(de)高熱(re)導性有助于更快帶走熱(re)量，而且碳(tan)化硅(gui) SiC 器件(jian)能夠在(zai)更高溫度(du)下工作，從而減輕與(yu)散熱(re)解決(jue)方案有關的(de)(de)壓(ya)力(li)。

碳(tan)化硅 SiC 器件(jian)工作的(de)開關(guan)頻率比(bi)硅 Si 器件(jian)高 100 到 1,000 倍。這可(ke)減小轉換(huan)器中所(suo)需(xu)磁性(xing)元件(jian)的(de)尺寸(cun)，進而減小系(xi)統尺寸(cun)和重量。

例(li)如(ru)，純電動(dong)汽車 BEV 硅(gui) Si 基(ji)動(dong)力傳動(dong)重(zhong)量(liang)可(ke)能超過 15 kg。而高(gao)性能碳(tan)化硅(gui) SiC 基(ji)逆變器重(zhong)量(liang)可(ke)減少(shao) 6 kg，體積可(ke)縮小 43%。[4]

提高效率

碳化硅 SiC 的開關頻率更高，固有(you)損耗更低，能(neng)夠提高系統效(xiao)率。在雙向(xiang)車載充電機中，碳化硅 SiC 允許使用(yong)圖騰(teng)柱 PFC 拓撲(pu)，與硅 Si 基器件所能(neng)實現的相比，既高效(xiao)又具成(cheng)本效(xiao)益。DC/DC側的開關頻率在 150 kHz 到(dao) 300 kHz 之間，比硅 Si 基電路(lu)最(zui)多(duo)可快 3 倍(bei)。

這種 6.6 kW 充(chong)電機(ji)的參考設計使用了(le) 16 顆(ke)碳化硅(gui)(gui) SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 的最新碳化硅(gui)(gui) SiC 系列，峰值效(xiao)率可(ke)超過 96%。[5]

逆變器設計革新

動(dong)(dong)力傳動(dong)(dong)是一(yi)個具有挑戰性(xing)的應(ying)用，功率(lv)范圍從 90 kW 到(dao) 350 kW 以(yi)上，且無行業標準(zhun)可循。但是，碳化硅 SiC 具有效率(lv)高、尺(chi)寸更小和重量更低的優勢(shi)，這些優勢(shi)可以(yi)擴展(zhan)到(dao)純電動(dong)(dong)汽車(che) BEV 動(dong)(dong)力傳動(dong)(dong)中的逆(ni)變器，而且這已通過測試得到(dao)了(le)很好的驗(yan)證。

根據(ju)德爾福對(dui)基(ji)(ji)于(yu)碳(tan)化硅 SiC 和(he)基(ji)(ji)于(yu) IGBT 的 200 kW 逆變器進行的一(yi)項基(ji)(ji)準對(dui)比(bi)，碳(tan)化硅 SiC 技術可以(yi)使系(xi)統尺寸減(jian)小最高 30%、損(sun)耗降低(di)最高 80%，并且能夠(gou)降低(di)系(xi)統成本。[6] 由于(yu)純電(dian)動(dong)汽(qi)車 BEV 上路行駛的大部分時間都(dou)不是處于(yu)**滿載條件，所以(yi)損(sun)耗的降低(di)意味著進一(yi)步增加了續航里(li)程。

另一項(xiang)在更高功(gong)率 (300 kW) 的對比表明，碳化硅 SiC 基 CRD300DA12E-XM3 逆變器重(zhong)量(liang)僅為(wei)(wei) 6.2 kg，提供的體積功(gong)率密度為(wei)(wei) 32.25 kW/L，而硅 Si 基設計重(zhong)量(liang)為(wei)(wei) 14.06 kg，體積功(gong)率密度為(wei)(wei) 3.2 kW/L。

[7]但是，革新(xin)的(de)(de)不僅是功率密度(du)。碳化硅(gui) SiC 具有更(geng)快的(de)(de)開關速度(du)、更(geng)低(di)的(de)(de)死區時間、更(geng)小(xiao)的(de)(de)壓(ya)降和輸出電(dian)(dian)容，從而(er)使相(xiang)電(dian)(dian)壓(ya)畸變更(geng)低(di)、帶寬更(geng)高。與硅(gui) Si 基所能(neng)實現的(de)(de)相(xiang)比，除了在逆變器層面的(de)(de)效益外，碳化硅(gui) SiC 基 MOSFET 的(de)(de)設計(ji)還會影響電(dian)(dian)機驅動系統的(de)(de)動態性(xing)能(neng)特性(xing)，例如可提(ti)供更(geng)快的(de)(de)響應、更(geng)高的(de)(de)相(xiang)對穩定性(xing)和穩固性(xing)。

賦能純電動汽車 BEV 市(shi)場

根據 Yole Développement的預估，功(gong)率(lv)碳(tan)化(hua)硅 SiC 市(shi)場將持續增長，預計到 2025 年(nian)將超(chao)過 30 億美元(yuan)，年(nian)度同比增長率(lv)超(chao)過 13%。這(zhe)主(zhu)要(yao)受到電(dian)動汽(qi)車 EV 市(shi)場的推(tui)動，這(zhe)一點并不令人(ren)意外。

從非(fei)車載(zai)快速(su)充電基(ji)礎設施到純電動汽車 BEV 動力總成(cheng)，碳(tan)化硅 SiC 技術正在快速(su)證明其帶來的(de)(de)(de)不僅(jin)是革命(ming)性的(de)(de)(de)改變(bian)，更是根本性的(de)(de)(de)改變(bian)，能夠幫助汽車制造(zao)商最終解決消費者(zhe)的(de)(de)(de)續航里程焦(jiao)慮。

Wolfspeed 碳(tan)化(hua)硅(gui) SiC 器件、全碳(tan)化(hua)硅(gui) SiC 電源模(mo)塊、碳(tan)化(hua)硅(gui) SiC 功率裸(luo)芯片及其(qi)相關服務，為這(zhe)一(yi)根本改(gai)變提供了有力支撐(cheng)。