羅姆：SiC在電動汽車應用中的趨勢

電動汽車零部件何時會從Si基功率器件切換到SiC？羅馬根據汽車廠整理的SiC應用趨勢回答了這個問題。電動車的歷史雖然不遜于內燃機車，但實際上已經被世界各主要國家推廣，這是最近十年的事情。電動汽車與經過市場幾十年、上百年考驗的內燃機車相比，存在諸多不足，為汽車制造商和用戶所詬病。但是這些缺點正在被克服，其中一個重點解決方案是電力電子技術。或者，我們可以認為，明面上的電動汽車供電系統和電驅動系統的演變過程，在一定程度上反映了暗面上的動力器件的發展過程。新能源驅動系統的主要技術驅動力是電力電子器件技術。在向高速、集成化和大功率發展的道路上，電力電子器件是主要的推動力之一。從芯片上看，電力電子的總體趨勢是小型化、高功率密度、低損耗；從模塊的發展方向來看，會向耐高溫、耐高壓、高頻方向發展。這些決定了MOSFET在高壓大電流應用中，由于耐壓低，損耗過大而被新能源汽車的高壓元件所排斥。考慮到技術的可行性和實用性，IGBT的應用正當其時。為了進一步提高續航里程，縮短充電時間，應對車輛系統和電機系統明顯的高壓平臺化趨勢，越來越多的車企開始考慮SiC(碳化硅)功率器件。SiC在電動汽車上的妙用中，車載充電器、DC/DC變換器、主逆變器、電動壓縮機對電力電子器件的要求較高，基本都需要IGBT或SiC功率器件。使用SiC有什么好處？在SiC領域浸已久的Roma認為其阻抗更低，模塊會更小，效率更高。高效SiC模塊作用于雙向OBC，可以縮短充電時間，減少電損耗。如果作用于主驅動逆變器，有助于增加續航里程，減小電池體積，降低成本。SiC可以突破其他功率器件的頻率瓶頸，對減小變壓器和電感的體積有很大的幫助。相關部件的體積可以縮小到原來的1/10。而且SiC可以在更高的溫度下工作，其工作溫度相對于Si可以達到270度。這樣它需要的冷卻系統可以更簡單，散熱器也會小型化。以5kW DC/DC變換器為例說明碳化硅帶來的好處。與原來使用Si基IGBT的轉換器相比，SiC基MOS的芯片面積約為原來的1/4。最后，高壓電源的體積減少了80%。效率高，損耗降低63%。當DC/DC轉換器采用開關頻率為160kHz的SiC方案時，變壓器體積減小。羅馬的SiC模塊已經用于Formula-E電動方程式賽車。以前，賽車使用內置傳統IGBT模塊的傳統逆變器。到2016年10月第三季度，它使用了由SiC SBD(碳化硅肖特基二極管)和Si IGBT組成的混合模塊。相同輸出功率(200kW)下，逆變器重量減輕2kg，體積縮小19%。到2017年12月第四季度，逆變器已經采用了由SiC MOS和SISBD組成的全Sic模塊。與傳統逆變器相比，其輸出功率提高到220kw，重量減輕6kg，體積減小43%。羅馬對SiC的未來極為樂觀。從今年到2025年，汽車和工業對SiC的需求將呈現顯著增長趨勢。特別是汽車OBC和逆變器用碳化硅的需求將在未來五年呈線性增長。當前電動車市場有三大趨勢。一個是用戶非常關心續航里程的增加。這就對電池容量提出了越來越高的要求，或者通過使用SiC來提高效率，這樣在相同的電池組容量下，可以提高續航里程。第二，用戶需要更快的充電時間，這也需要考慮效率。第三，歐洲電動車的電壓平臺有明顯的高電壓化趨勢。目前普通乘用車的電壓平臺大概是400V到600V，歐洲一些車企提出了800V的電壓平臺。電壓升高后，電流即使降低也能達到同樣的功率，可以減輕充電線的重量，有效降低整車重量。以上三個市場趨勢，其實都需要SiC功率器件的作用。Roma根據汽車工廠整理了SiC在汽車上應用的趨勢。理論上，電動汽車零部件何時會從Si基功率器件切換到SiC？這種應用趨勢回答了時間的問題。目前，SICBSD在OBC已經全面應用。2017年后，提出了對sicbo的需求，部分車企開始使用內置sicbo的OBC。在DC/DC轉換器上，大約在2018年，它從Si MOS切換到SiC MOS。逆變器可能會在2021年從IGBT和硅FRD切換到碳化硅MOS。目前，特斯拉已經開發并量產了基于SiC MOS的大功率電機控制器。用于快速充電的大功率DCDC有望在2020年應用于SiC MOS。SiC應用與passa的分水嶺……隨著時間的推移，碳化硅在電動汽車上的新應用為其帶來了巨大的潛在市場。羅馬正在加快步伐，擴大其產品矩陣。2009年收購碳化硅晶圓原料公司SiCrystal。2010年，SiC SBD開始量產，全球首款量產SiC MOS發布。2012年量產全SiC功率模塊；在2015年溝槽SiC MOS的量產中。然后在2017年，它開始大規模生產6英寸碳化硅SBD。去年其6英寸平面SiC MOS量產，開發了第四代槽型。今年，它量產了第三代凹槽SiC MOS，并在PCIM亞洲發布了第四代凹槽SiC MOS。溝槽SiC MOS開關損耗低，比IGBT低73%，導通電阻低，有利于進一步節能。Roma還在擴大碳化硅晶片/器件的產能，以滿足市場需求。到2025年將總共投入約850億日元。這筆投資大部分會投在SiC上，也有一部分會投在驅動iC芯片上。到2025年，將碳化硅功率器件和碳化硅晶片產能提高到2017年的16倍左右。另一方面，雖然羅馬加快了工廠的擴建，但對SiC的總產量非常謹慎。動力器件的成本，車企的態度，電動車市場的變化，都是影響實際需求的因素。當從Si IGBT切換到SiC功率器件時，成本必然會上升。SiC能夠產生正經濟效益的時間將是其能夠推廣的分水嶺。Roma預測，當電池電壓平臺為500V時，2021年部分車型可以實現整體成本降低。比如2021年，電池容量40kwh，系統功率大致在70kw以下的車輛使用SiC更有優勢。這些車型集中在中國市場和歐洲市場。電動汽車零部件何時會從Si基功率器件切換到SiC？羅馬根據汽車廠整理的SiC應用趨勢回答了這個問題。電動車的歷史雖然不遜于內燃機車，但實際上已經被世界各主要國家推廣，這是最近十年的事情。電動汽車與經過市場幾十年、上百年考驗的內燃機車相比，存在諸多不足，為汽車制造商和用戶所詬病。但是這些缺點正在被克服，其中一個重點解決方案是電力電子技術。或者，我們可以認為，明面上的電動汽車供電系統和電驅動系統的演變過程，在一定程度上反映了暗面上的動力器件的發展過程。新能源驅動系統的主要技術驅動力是電力電子器件技術。在向高速、集成化和大功率發展的道路上，電力電子器件是主要的推動力之一。從芯片上看，電力電子的總體趨勢是小型化、高功率密度、低損耗；從模塊的發展方向來看，會向耐高溫、耐高壓、高頻方向發展。這些決定了MOSFET在高壓大電流應用中，由于耐壓低，損耗過大而被新能源汽車的高壓元件所排斥。考慮到技術的可行性和實用性，IGBT的應用正當其時。為了進一步提高續航里程，縮短充電時間，應對車輛系統和電機系統明顯的高壓平臺化趨勢，越來越多的車企開始考慮SiC(碳化硅)功率器件。SiC在電動汽車上的妙用中，車載充電器、DC/DC變換器、主逆變器、電動壓縮機對電力電子器件的要求較高，基本都需要IGBT或SiC功率器件。使用SiC有什么好處？在SiC領域浸已久的Roma認為其阻抗更低，模塊會更小，效率更高。高效SiC模塊作用于雙向OBC，可以縮短充電時間，減少電損耗。如果作用于主驅動逆變器，有助于增加續航里程，減小電池體積，降低成本。SiC可以突破其他功率器件的頻率瓶頸，對減小變壓器和電感的體積有很大的幫助。相關部件的體積可以縮小到原來的1/10。而且SiC可以在更高的溫度下工作，其工作溫度相對于Si可以達到270度。這樣它需要的冷卻系統可以更簡單，散熱器也會小型化。以5kW DC/DC變換器為例說明碳化硅帶來的好處。與原來使用Si基IGBT的轉換器相比，SiC基MOS的芯片面積約為原來的1/4。最后，高壓電源的體積減少了80%。效率高，損耗降低63%。當DC/DC轉換器采用開關頻率為160kHz的SiC方案時，變壓器體積減小。羅馬的SiC模塊已經用于Formula-E電動方程式賽車。以前，賽車使用內置傳統IGBT模塊的傳統逆變器。到2016年10月第三季度，它使用了由SiC SBD(碳化硅肖特基二極管)和Si IGBT組成的混合模塊。相同輸出功率(200kW)下，逆變器重量減輕2kg，體積縮小19%。到2017年12月第四季度，逆變器已經采用了由SiC MOS和SISBD組成的全Sic模塊。與傳統逆變器相比，其輸出功率提高到220kw，重量減輕6kg，體積減小43%。羅馬對SiC的未來極為樂觀。從今年到2025年，汽車和工業對SiC的需求將呈現顯著增長趨勢。特別是汽車OBC和逆變器用碳化硅的需求將在未來五年呈線性增長。當前電動車市場有三大趨勢。一個是用戶非常關心續航里程的增加。這就對電池容量提出了越來越高的要求，或者通過使用SiC來提高效率，這樣在相同的電池組容量下，可以提高續航里程。第二，用戶需要更快的充電時間，這也需要考慮效率。第三，歐洲電動車的電壓平臺有明顯的高電壓化趨勢。目前普通乘用車的電壓平臺大概是400V到600V，歐洲一些車企提出了800V的電壓平臺。電壓升高后，電流即使降低也能達到同樣的功率，可以減輕充電線的重量，有效降低整車重量。以上三個市場趨勢，其實都需要SiC功率器件的作用。Roma根據汽車工廠整理了SiC在汽車上應用的趨勢。理論上，電動汽車零部件何時會從Si基功率器件切換到SiC？這種應用趨勢回答了時間的問題。目前，SICBSD在OBC已經全面應用。2017年后，提出了對sicbo的需求，部分車企開始使用內置sicbo的OBC。在DC/DC轉換器上，大約在2018年，它從Si MOS切換到SiC MOS。逆變器可能會在2021年從IGBT和硅FRD切換到碳化硅MOS。目前，特斯拉已經開發并量產了基于SiC MOS的大功率電機控制器。用于快速充電的大功率DCDC有望在2020年應用于SiC MOS。SiC應用與passa的分水嶺……隨著時間的推移，碳化硅在電動汽車上的新應用為其帶來了巨大的潛在市場。羅馬正在加快步伐，擴大其產品矩陣。2009年收購碳化硅晶圓原料公司SiCrystal。2010年，SiC SBD開始量產，全球首款量產SiC MOS發布。2012年量產全SiC功率模塊；在2015年溝槽SiC MOS的量產中。然后在2017年，它開始大規模生產6英寸碳化硅SBD。去年其6英寸平面SiC MOS量產，開發了第四代槽型。今年，它量產了第三代凹槽SiC MOS，并在PCIM亞洲發布了第四代凹槽SiC MOS。溝槽SiC MOS開關損耗低，比IGBT低73%，導通電阻低，有利于進一步節能。Roma還在擴大碳化硅晶片/器件的產能，以滿足市場需求。到2025年將總共投入約850億日元。這筆投資大部分會投在SiC上，也有一部分會投在驅動iC芯片上。到2025年，將碳化硅功率器件和碳化硅晶片產能提高到2017年的16倍左右。另一方面，雖然羅馬加快了工廠的擴建，但對SiC的總產量非常謹慎。動力器件的成本，車企的態度，電動車市場的變化，都是影響實際需求的因素。當從Si IGBT切換到SiC功率器件時，成本必然會上升。SiC能夠產生正經濟效益的時間將是其能夠推廣的分水嶺。Roma預測，當電池電壓平臺為500V時，2021年部分車型可以實現整體成本降低。比如2021年，電池容量40kwh，系統功率大致在70kw以下的車輛使用SiC更有優勢。這些車型集中在中國市場和歐洲市場。

標簽：特斯拉

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