碳化硅如何实现助力电动汽车应用

本文将重点介绍碳化硅技术在汽车领域的应用和实现。与传统的硅基器件相比，碳化硅 （SiC）组件具有多项优势（例如高效率和低损耗），使其成为多种电源解决方案的正确解决方案。
介绍

过去几年，电力行业市场受到一些相关趋势的影响。例如，在 1999 年，我们推动了对模拟功率器件的大量需求的电信热潮。计算和移动设备趋势紧随其后，后者主要需要低压电源解决方案。大功率器件的下一个相关趋势近开始于涉及汽车行业的深度转型。碳化硅技术在今天无处不在。如图 1 所示，SiC 二极管、MOSFET 和模块广泛应用于电源应用，例如：云服务器、交通运输、EV 电池充电器和光伏逆变器。尽管仍然是一项新兴且相对较新的技术，但碳化硅已经能够提供可靠和高效的电源解决方案：这就是汽车行业选择它的原因。

图1：SiC基功率器件的主要应用
碳化硅的汽车应用
据广泛接受的估计，2017 年碳化硅应用于汽车的收入为 700 万美元。在未来五年内，这一趋势将增加 300 倍，到 2022 年将达到 24 亿美元。估计十年内所有制造的汽车中有一半将是电动汽车；此外，排放标准在世界其他地方变得越来越严格。因此，如果其他称 2027 年市场将达到 100 亿美元，也就不足为奇了。与普通硅器件相比，碳化硅技术提供更高的开关频率和功率密度。因此，汽车应用可以受益于更小尺寸的设备、更小的无源元件和更简单的冷却。仅仅一年时间，从2017年到2018年，选择基于 SiC 的逆变器原型的汽车公司的累计数量急剧增加。据我们今天所知，80% 的汽车传动系统活动以某种方式涉及碳化硅。剩下的 20% 可能很快就会跟进。碳化硅功率 MOSFET、二极管和模块的主要汽车应用如下：
车载电动汽车充电器；
DC/DC 转换器；
传动系逆变器。
车载 EV 充电器 （OBC）

该应用包括为 PHEV 和 BEV 汽车电池充电，通常在家里、车库或配备齐全的停车场进行。完整运行大约需要 6-8 小时，今天涉及的功率水平高达 6.6 kW（即使它们将在未来几年变成 11kW 甚至 22kW）。操作原理非常简单：从插座中取出 90-265 VAC 电源，将汽车转换为直流电源，然后用于为电池充电。这种应用的关键因素是：高效率、高功率密度和（提供）双向能量流。碳化硅技术符合所有这些要求，因为与等效的硅基解决方案相比，它具有更高的效率、更小的尺寸和更低的成本。一个典型的双向 6 的框图。6kW 碳化硅 OBC 如图 2 所示。它由一个图腾柱 PFC 级（两个相同的并联工作的器件）和一个 DC/DC 转换器（LLC 谐振槽）组成。总共需要 16 个 SiC MOSFET，例如采用高性能 TO247 封装的 C3M 系列，能够实现高于 96% 的峰值效率。

图 2：基于 SiC 的 OBC 的框图
基于 SiC 的解决方案带来的好处很简单：更低的损耗（意味着更小的尺寸）、更高的频率（更小的无源元件）和更高的效率（更简单和更小的冷却）。
电动汽车传动系统

用于 BEV 动力系统和商用车辆的传动系统是一项重要且具有挑战性的应用。它处理的功率范围从 90 到 350 kW 及以上，但没有标准：这是一个完全开放的领域，这使它成为一个巨大的机会。该应用的关键因素是：车辆续航里程延长、电池和系统成本降低、用于再生制动的双向能量流。碳化硅技术在该领域也具有多项优势，可将系统尺寸缩小多达 30%、损耗降低多达 80% 并降低系统成本。德尔福进行了一项基准比较，比较了硅基 IGBT 与 SiC MOSFET 的效率，两者都用于车辆 200kW 逆变器。在相同的电压和开关频率下运行，SiC MOSFET 实现了高达 80% 的逆变器损耗降低，

图 3：车辆逆变器中的 Sic 与 IGBT 驱动器损耗
福特是汽车应用碳化硅功率器件评估的先驱，也进行了类似的测试。基准测试表明，与硅相比，碳化硅技术在 EPA 地铁公路循环的纯电动驱动模式下将逆变器损耗降低了约 78%。反过来，对于相同的电池尺寸，这可以使续航里程增加 7-10%，或者相同续航里程的电池容量减少 7-10%。
碳化硅 MOSFET 如何实现电动汽车动力传动系统

如前所述，电动汽车动力传动系统是一个全新的领域：没有标准，原始设备制造商也没有遵循共同的方式。Wolfspeed 采用的方法侧重于芯片本身，提供不同的布局，每种布局都有自己的尺寸、金属化、电流和电压规格（图 4）。这种方法的关键特性是基于互操作性：不同的芯片尺寸、栅极布局和金属化可以满足不断发展的行业不断变化的需求，从而实现碳化硅技术的广泛采用。

图 4：具有不同布局和特性的芯片
外置充电器

典型的非车载充电器系统如图 5 所示。它与服务器机架非常相似，其中每个机架由一系列 20kW 模块组成。每个模块的输入是交流三相电压，后跟滤波器和 DC/DC LLC 级。实施此功能的充电站如今能够提供快速充电：绕过车载充电器，可以实现 30 分钟的充电持续时间。功率级别在 80kW 到 150kW 之间，多个 15-20kW 模块能够为 PHEV 和 BEV 电池充电。这种应用需要高效率和功率密度的设备，这反过来又允许更小的站。

图 5：电动汽车充电系统框图
关于硅基 IGBT，碳化硅 MOSFET 在此应用中也提供更好的性能：效率提高 2% 以上，功率密度增加 33%，系统成本更低，组件更少。
碳化硅可靠性
碳化硅已被证明是一种成熟的技术，具有多种具有挑战性的应用。然而，除非技术可靠，否则任何技术都不会进入汽车。可靠性不仅仅意味着通过资格或拥有 PPAP。长期的可靠性需要一个长期的过程，需要在几年内收集现场故障率数据。硅技术已经存在了 60 年，因此已经可以获得大量真实数据。
相反，碳化硅技术才问世八年。因此，需要数据外推进行深入的压力测试。Wolfspeed和可靠性评估证明了 SiC 的成熟度，具有 100 万小时的 V DS外推寿命和 1000 万小时的 V GS外推寿命。成功的产品和现场可靠性表明 SiC 已准备好用于大批量制造和高可靠性应用，例如汽车。
现场失效率是可靠性评估的重要指标。Wolfspeed 已发布产品超过 5.7 万亿场小时，在其刚刚推出的第三代 SiC MOSFET 上实现了 4.1 FIT 率（每十亿器件小时有效场故障），在老一代器件上实现了 3.7 FIT 率。由于汽车标准通常要求 FIT 率为 10ppm，因此碳化硅证明了其对此类应用的长期可靠性。
结论
如今，汽车应用正在为高功率设备带来巨大机遇，而且这种趋势将持续下去，并可能在未来几年内增加。能源工业市场将受到拖累，受益于碳化硅技术提供的相同优势。碳化硅的价值被很好地理解和接受，再也没有人问为什么碳化硅了。由于对这项技术有很大的兴趣，供应商必须灵活并能够为系统解决方案提供多种方法。与传统的硅基器件相比，碳化硅在汽车应用中具有重要的优势：提高功率密度、提高系统效率、范围扩展、降低系统成本和长期可靠性。碳化硅已经存在于汽车中，但我们才刚刚开始。