根據(jù)各方面所預(yù)計(jì)，電動(dòng)汽車 EV 市場正在迅速增長。國際能源署 2019 年電動(dòng)汽車 EV 展望報(bào)告指出，2018 年全球電動(dòng)汽車 EV 數(shù)量超過 510 萬輛，比前一年增加 200 萬輛。此外，截止到 2018 年年底，電動(dòng)公共汽車、輕型商用車 (LCV)、電動(dòng)兩輪車的數(shù)量分別為 46 萬輛、25 萬輛和 2.6 億輛。電動(dòng)汽車 EV 在同年的總耗電量約為 58 TWh。如果與相同數(shù)量的內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛相比，則相當(dāng)于減少了 3,600 萬噸二氧化碳排放。[1]
預(yù)計(jì)這一綠色環(huán)保的趨勢將繼續(xù)保持下去。Research and Markets 等分析機(jī)構(gòu)估計(jì)，2020-2030 年全球電動(dòng)汽車 EV 市場份額將增長 19.8%，達(dá)到近 1.3 萬億美元。[2]
電動(dòng)汽車 EV 動(dòng)力總成
強(qiáng)大、輕量、高效的純電動(dòng)汽車 BEV 動(dòng)力總成使得我們向全電動(dòng)交通工具方向的邁進(jìn)成為可能。該動(dòng)力總成（圖 1）包括：
1、一個(gè)車載充電機(jī)，帶有AC/DC轉(zhuǎn)換器（將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換為直流中間電壓）和DC/DC模塊（將直流轉(zhuǎn)換為給電池快速充電所需的電壓）。充電機(jī)還能通過再生制動(dòng)，將回收的能量輸送到電池。理想情況下，充電機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向充電功能，以便能夠利用未來的智能電網(wǎng)，并根據(jù)需要將能量輸送回電網(wǎng)或家庭。
2、一個(gè)電池組。
3、一個(gè)逆變器，它是動(dòng)力傳動(dòng)的一部分，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)（通常是永磁同步電機(jī) [PMSM] 或感應(yīng)電機(jī)）。
圖 1：純電動(dòng)汽車 BEV 動(dòng)力總成包括車載充電機(jī)（電池左側(cè)）、電池本身和動(dòng)力傳動(dòng)（包含驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī) [電池右側(cè)] 的逆變器）。
純電動(dòng)汽車 BEV 市場的成功與否，關(guān)鍵在于汽車制造商能否解決消費(fèi)者的“續(xù)航里程焦慮”。要增加純電動(dòng)汽車 BEV 的續(xù)航里程（即兩次充電之間可行駛的距離），汽車制造商可通過增加電池尺寸、提高系統(tǒng)效率、減輕重量或?qū)嵤┧羞@些措施來實(shí)現(xiàn)。
例如，市場調(diào)研機(jī)構(gòu) Adamas Intelligence 稱，特斯拉在部署電池容量方面占據(jù)主導(dǎo)地位，原因是特斯拉的純電動(dòng)汽車BEV使用 60 到 100 kWh 的電池，相比之下，2019 年上半年售出的所有電動(dòng)汽車 EV （純電動(dòng)汽車BEV和所有其他類型）的全球銷售加權(quán)平均電池容量為 19.7 kWh。[3] 隨著新款沃爾沃 XC40 Crossover（配備 78 kWh 電池組）、2020 款梅賽德斯-奔馳 EQC（80 kWh）、2019 款?yuàn)W迪 E-Tron（95 kWh）和 2019 款日產(chǎn) Leaf Plus（62 kWh）的面世，全球發(fā)展趨勢正在迎頭趕上。
然而，額外的電池容量也增加了純電動(dòng)汽車 BEV 的重量和成本。因此，減輕動(dòng)力總成的重量并提高效率，可以進(jìn)一步增加純電動(dòng)汽車 BEV 續(xù)航里程或控制成本。
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)是碳化硅 SiC。與傳統(tǒng)硅 Si 技術(shù)相比，碳化硅 SiC 器件可提供：
●比 硅 Si 低 2 到 3 倍的導(dǎo)通壓降
●額定溫度下，比硅 Si 更低的漏電流
●開關(guān)時(shí)更高的邊緣速率（由于是多數(shù)載流子器件）
●比硅 Si 高 10 倍的擊穿場強(qiáng)，使得相同封裝的碳化硅 SiC 器件能夠承受更高的電壓
●更高的熱導(dǎo)性，能夠在更高的芯片溫度下實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行
減輕重量
將動(dòng)力總成的部件保持在一個(gè)安全的工作溫度范圍內(nèi)需要借助冷卻系統(tǒng)，而這會(huì)大大增加純電動(dòng)汽車 BEV 的行車自重。碳化硅 SiC 的高熱導(dǎo)性有助于更快帶走熱量，而且碳化硅 SiC 器件能夠在更高溫度下工作，從而減輕與散熱解決方案有關(guān)的壓力。
碳化硅 SiC 器件工作的開關(guān)頻率比硅 Si 器件高 100 到 1,000 倍。這可減小轉(zhuǎn)換器中所需磁性元件的尺寸，進(jìn)而減小系統(tǒng)尺寸和重量。
例如，純電動(dòng)汽車 BEV 硅 Si 基動(dòng)力傳動(dòng)重量可能超過 15 kg。而高性能碳化硅 SiC 基逆變器重量可減少 6 kg，體積可縮小 43%。[4]
提高效率
碳化硅 SiC 的開關(guān)頻率更高，固有損耗更低，能夠提高系統(tǒng)效率。在雙向車載充電機(jī)中，碳化硅 SiC 允許使用圖騰柱 PFC 拓?fù)洌c硅 Si 基器件所能實(shí)現(xiàn)的相比，既高效又具成本效益。DC/DC側(cè)的開關(guān)頻率在 150 kHz 到 300 kHz 之間，比硅 Si 基電路最多可快 3 倍。
這種 6.6 kW 充電機(jī)的參考設(shè)計(jì)使用了 16 顆碳化硅 SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 的最新碳化硅 SiC 系列，峰值效率可超過 96%。[5]
逆變器設(shè)計(jì)革新
動(dòng)力傳動(dòng)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，功率范圍從 90 kW 到 350 kW 以上，且無行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可循。但是，碳化硅 SiC 具有效率高、尺寸更小和重量更低的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢可以擴(kuò)展到純電動(dòng)汽車 BEV 動(dòng)力傳動(dòng)中的逆變器，而且這已通過測試得到了很好的驗(yàn)證。
根據(jù)德爾福對(duì)基于碳化硅 SiC 和基于 IGBT 的 200 kW 逆變器進(jìn)行的一項(xiàng)基準(zhǔn)對(duì)比，碳化硅 SiC 技術(shù)可以使系統(tǒng)尺寸減小最高 30%、損耗降低最高 80%，并且能夠降低系統(tǒng)成本。[6] 由于純電動(dòng)汽車 BEV 上路行駛的大部分時(shí)間都不是處于最佳滿載條件，所以損耗的降低意味著進(jìn)一步增加了續(xù)航里程。
另一項(xiàng)在更高功率 (300 kW) 的對(duì)比表明，碳化硅 SiC 基 CRD300DA12E-XM3 逆變器重量僅為 6.2 kg，提供的體積功率密度為 32.25 kW/L，而硅 Si 基設(shè)計(jì)重量為 14.06 kg，體積功率密度為 3.2 kW/L。[7]
但是，革新的不僅是功率密度。碳化硅 SiC 具有更快的開關(guān)速度、更低的死區(qū)時(shí)間、更小的壓降和輸出電容，從而使相電壓畸變更低、帶寬更高。與硅 Si 基所能實(shí)現(xiàn)的相比，除了在逆變器層面的效益外，碳化硅 SiC 基 MOSFET 的設(shè)計(jì)還會(huì)影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能特性，例如可提供更快的響應(yīng)、更高的相對(duì)穩(wěn)定性和穩(wěn)固性。[8]
賦能純電動(dòng)汽車 BEV 市場
根據(jù) Yole Développement的預(yù)估，功率碳化硅 SiC 市場將持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到 2025 年將超過 30 億美元，年度同比增長率超過 13%。這主要受到電動(dòng)汽車 EV 市場的推動(dòng)，這一點(diǎn)并不令人意外。[9]
從非車載快速充電基礎(chǔ)設(shè)施到純電動(dòng)汽車 BEV 動(dòng)力總成，碳化硅 SiC 技術(shù)正在快速證明其帶來的不僅是革命性的改變，更是根本性的改變，能夠幫助汽車制造商最終解決消費(fèi)者的續(xù)航里程焦慮。
Wolfspeed 碳化硅 SiC 器件、全碳化硅 SiC 電源模塊、碳化硅 SiC 功率裸芯片及其相關(guān)服務(wù)，為這一根本改變提供了有力支撐。
了解 Wolfspeed 碳化硅 SiC 功率產(chǎn)品更多信息，敬請(qǐng)瀏覽：
www.wolfspeed.com/power
關(guān)于英文原稿，敬請(qǐng)瀏覽：
www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/silicon-carbide-the-foundation-of-a-successful-bev-powertrain
參考資料：
[1] IEA, Global EV Outlook 2019 (https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2019)
[2] Research And Markets, Global Electric Vehicle (EV) Market 2020-2030 (https://www.researchandmarkets.com/reports/4990283/global-electric-vehicle-ev-market-2020-2030-by)
[3] Adamas Intelligence, State of Charge: EVs, Batteries and Battery Materials
[4] Can't take the heat? Silicon Carbide Holds the Answers to Your Applications (https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/silicon-carbide-holds-the-answers-to-your-applications)[5] Guy Moxey, Wolfspeed, SiC Enabling EV Applications (presentation)
[6] Guy Moxey, Wolfspeed, Silicon Carbide: Transforming the Future of Power (presentation)
[7] Daniel Martin, Wolfspeed, Revolutionizing Inverter Power Density using SiC MOSFET Modules (presentation)
[8] Xiaofeng Ding, et al., Impact of Silicon Carbide Devices on the Dynamic Performance of Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Systems for Electric Vehicles (https://pdfs.semanticscholar.org/5606/ddb55b325a376fa510a52880d4111c3ccd7e.pdf)
[9] Yole Développement, Compound semi. Quarterly Market Monitor, March 17, 2020 (http://www.yole.fr/Compound_Semiconductor_Monitor_Q1.aspx)
關(guān)于科銳
科銳是Wolfspeed功率和射頻（RF）半導(dǎo)體、照明級(jí)LED的創(chuàng)新者。科銳Wolfspeed產(chǎn)品組合包括了碳化硅（SiC）材料、功率器件、射頻器件，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車（EV）、快速充電、逆變器、電源、電信、軍事、航空航天等領(lǐng)域。科銳LED產(chǎn)品組合包括了藍(lán)光和綠光LED芯片、高亮度LED和照明級(jí)大功率LED，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和戶外照明、顯示屏、交通、特種照明等領(lǐng)域。更多關(guān)于產(chǎn)品和公司信息，敬請(qǐng)瀏覽：www.cree.com。
