2021年电动车销量预计增长约70%达425万辆,SiC器件销售将暴增

2021-06-19 UnitedSiC
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近十年来,我们见证了宽带隙半导体技术的兴起,也看到了它开始最终占领某些应用领域。事实证明,它的性能优势对这些领域极为宝贵。这些领域包括备用电源系统和可再生能源发电场。碳化硅(SiC)已经证明了自身在某些电动车(EV)设计方面的关键作用,而在下文中,我们将详细介绍为什么认为碳化硅(SiC)现在已经可以进一步推动发展了。


减少空气污染和降低人们对正迅速耗尽的化石燃料的依赖这两个需求给电动车行业发展带来了巨大的推动力。世界各地的政府也纷纷出台了各种计划和法律措施来促进这一发展。IHS Markit几个星期前发布的一份报告称,预计明年电动车行业将迎来销售额的迅猛增长。报告预测,2021年销售额增长将接近70%,也就是一共约425万辆电动车。预计需求量最大的地区是中国,然后是欧洲和北美,接下来是日本和韩国。如果行业分析师的长期预测是准确的,那么,到2025年,年销量将超过1200万。在更远的未来,Wood Mackenzie咨询公司预计,到2040年将有至少3.2亿辆电动车上路行驶。


虽然听上去前景广阔,但是让人们抛弃成年后一直驾驶的内燃机车辆,投入电动车的怀抱仍然存在几大困难。首先是电动车充电便利性问题。为了大量架设充电设施已经投入了大笔投资,这意味着电动车用户无论前往何处都将能放心充电。充电速度是另一个让人担心的重要问题,因为电动车电池的充电时间不能令用户失望。为此,正在架设的大部分新充电站都能支持快速充电。不过,车辆经济性仍是一大障碍,不断发展的电动车制造商需要设法高效解决此问题。解决这个问题应该主要依靠采用先进技术控制组件相关开支和设计出更好的系统。


SiC因素

电动车制造商的SiC采用量越来越大。它的一些特性对于缩短充电时间和更高效地转换功率十分必要。然而,随着电动车设计的不断进步,电动车专用的SiC器件同样需要改进。


如果电动车功率转换操作效率提高,电动车的单次充电行驶里程可能会大幅增加。车载充电器(OBC)将需要支持更高电压。额定电压为650V的FET需要替换为电压参数更高的器件,而成本不能超过900V以上额定电压器件的成本。最终,通过改进传动系统,采用的牵引逆变器带来的财务影响将减小。所有这三点都是符合消费者利益的,而将之应用于车辆的制造商将能够获得超越对手的竞争优势。


新生代SiC器件

通过结构改进,SiC器件将有可能提高功率密度等级,并能降低当前电动车系统中的部分功率损耗。与此同时,系统的物料单成本应该也有可能会降低。这样,电动车就会拥有更具吸引力的价格。半导体供应商需要在尽可能短的时间内实现这些改进。


鉴于需要尽快找到解决上述问题的可行方案,UnitedSiC公司推出了自己的第四代SiC技术。凭借无比丰富的宽带隙半导体专业知识,UnitedSiC的工程师开发出了UJ4C075018K4S。这个符合AEC-Q101,额定电压为750V的SiC FET器件采用高密度沟道SiC JFET结构JFET与硅基低压MOSFET封装在一起形成共源共栅。JFET元件非常小巧,因而可实现相对于占用面积而言非常低的导通电阻。也可以通过UnitedSiC的第四代SiC技术,利用尺寸更小的FET,同时将导通电阻保持在可接受的值,从而实现尺寸减小


UJ4C075018K4S的体二极管的前向压降(VFSD)和反向恢复电荷(QRR)值都非常理想。SiC晶粒变得更薄,从而改善了电属性和热属性。之后,用银(Ag)烧结材料将晶粒连接到铜(Cu)引脚框架,这种材料的导热系数远远优于传统焊料。所有这些特点都将带来结壳热阻的改善。它带来的栅极损耗极小,这意味着在软开关应用中,这种FET的开关速度要比竞争器件快得多,而且不会给任何现有栅极驱动集成电路带来过热风险。


由于支持750V运行电压,UJ4C075018K4S FET能比其他供应商提供的标准650V器件更好地处理较大电池电压。这意味着可以实现更高的性能水平,而不需要指定额定电压更高(如900V或1200V)也更耗成本的器件。表1中对比了多个不同供应商的功率分立器件的关键性能参数。其中有基于硅的超结FET和几种额定电压为650V的基于碳化硅的MOSFET。虽然UJ4C075018K4S的额定电压比表中其他器件高得多(100V至150V以上),但是其导通电阻/装置面积也要好得多。650V SiC MOSFET的这几个值是UJ4C075018K4S的2到3倍,而基于硅的FET的值要差一个数量级。


将第四代SiC器件应用于电动车领域

上文已经讨论UnitedSiC第四代技术能实现的性能参数,现在讲如何将它实施到电动车设计中。图1展示了典型的电动车动力系统。它包含连接交流充电站的车载充电器以及从400V中转总线获得电力并提供给车内许多12V子系统的直流转换器。在电动车充电时,电流从交流充电站流经图腾柱类型的功率因数校正(PFC)电路布置。直流到直流转换级采用全桥CLLC谐振转换器。750V UJ4C075018K4S FET十分适合LLC/CLLC装置的主侧和PFC装置。在电池电压更高时,适合使用额定电压为1200V的UnitedSiC第四代SiCFET。

由于利用了具有低开关损耗和行业领先QRR的第四代SiC FET,前端PFC级可以在更高的频率下运行,该频率要比逐渐过时的基于IGBT的电路布置所能支持的频率高得多,逼近100kHz。同样,直流转直流级也可以应用高得多的频率。从热管理角度看,此系统带来的频率提升有多项好处。由于散热量降低,可以节省在散热方面耗费的设计努力和物料单预算。


现在,我们看一看电动车的逆变器元件。它为动力传动系统供电并在电动车总成本中占据不小的比例。大部分电动车逆变器制造商都在积极研究基于碳化硅的解决方案。


由于能使用整体尺寸较小的逆变器,几个重要优势得以实现。电动车将具有经济方面的吸引力,买车人不必再支付大笔现金了。安装此类逆变器的车辆的车重将降低,而且较低的损耗意味着单次充电行驶里程将会增加。


虽然较大的商用电动车要求SiCFET具备应对更高电压的能力,但是私家电动车的动力传动系统中仍有许多750V额定电压FET的用武之地。在此类应用中,UnitedSiC第四代SiC FET的性能胜过了同类最佳的IGBT模块,表现出了小得多的功率损耗和在高得多的频率下工作的能力。它的其他优势包括再生制动期间的整流器损耗要小很多,耐短路性接近对IGBT的预期。SiC的耐高温能力意味着逆变器硬件可以直接集成到发动机外壳内,从而节省空间和成本,改善了发动机运行。


结语

宽带隙工艺技术器件的性能优势已经得到公认,它们对扩大车辆电气化普及的价值也毋庸置疑。通过结构层面的进一步创新,这些器件必将让电动车运行变得更高效,损耗变得更低。未来几年,它们带来的便利性提升和成本降低必然会提高电动车采用量。

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