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SiC还是IGBT,新能源汽车如何选?


新品介绍

2021年,英飞凌推出了一款新的HybridPACK™ Drive CoolSiC™功率模块。这是一款具有 1200V 阻断电压的全桥模块,针对电动汽车中的牵引逆变器进行了优化。该产品使得具有更长续航里程和更低电池成本的逆变器有了更高的效率,特别是对于配备 800V 电池系统和更大电池容量的车辆。点击文末阅读原文,了解更多新品信息。

目前的市场上,SiC和IGBT仍然是各有风骚,本文详细分析了它们的技术差异,以及在主逆变器,OBC以及DC-DC转换器中使用SiC所带来的优势。

碳化硅推动着电动汽车进一步发展,使其具有更低的成本、更长的续航里程、更宽敞的设计以及更高的功率密度等。与标准内燃机相比,电动汽车无需油箱和发动机,因而可开发更多差异化设计从而更有效地利用车内空间,让乘坐体验更舒适。然而,由于车型限制、充电时间长、快速充电基础设施不足以及价格高昂等原因,纯电动汽车在全球新车销售的市场份额仍然很低。

材料和零部件成本高是纯电动汽车价格高昂的主要原因。如将电动动力总成定义为由电池、电机和逆变器组成,那么动力总成约占纯电动汽车总成本的50%。在动力总成方面,电池成本占比超过60%。也就是说,电池成本占整车成本的35%以上。

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增加电动动力总成的功率密度是降低成本的一种方法。美国能源部制定到 2025 年将高压电力电子设备的功率密度提高 7 倍的目标。然而,由于安装空间有限,尤其是对高性能的汽车而言,高功率密度更是必需的。因为增加功率密度可以减小动力总成部件的尺寸,从而进一步优化车辆内部空间。

目前,采用硅IGBT技术的功率模块在电动汽车应用中占主导地位。然而,经过数十年的发展,硅基功率器件正在接近材料极限。因此,要进一步提高其功率密度非常困难。

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因此,半导体行业一直在开发宽禁带功率器件,例如碳化硅 MOSFET。美国能源部制定的功率密度目标正是基于宽禁带功率器件的利用。

宽禁带功率器件比硅器件更昂贵,但因其功率组件的尺寸和重量减小,特别是在相同里程范围内可节省电池容量,因此能够降低整体动力总成成本。

SiC 和Si技术特点差异分析

碳化硅已成为功率器件中硅的替代材料。宽禁带、更高的击穿电场、提高的热导率以及更高的工作温度是碳化硅的4大关键优势:

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  • 碳化硅的禁带比硅大 3 倍,可转化为高 10 倍的击穿电场。如需设计有高电压(通常为 1200V 或更高)的单极器件,例如 MOSFET,使用碳化硅则会受益良多。
  • 碳化硅的热导率是硅的 3 倍,与铜相似。因此,功率损耗产生的热量可以以较小的温度变化从碳化硅中传导出去。
  • 由于较高的熔化温度,理论上,碳化硅器件可以在 200°C 以上的温度下良好运行。因为冷却需求显着降低,因而可以显着降低冷却系统的成本。

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由于较高的击穿电场,碳化硅器件具有更薄的漂移层或更高的掺杂浓度。因此,与相同击穿电压的硅器件相比,它们具有更低的电阻。

碳化硅可用于设计单极器件,例如高压 MOSFET,理论上不产生尾电流。因此,相比于硅 IGBT,碳化硅 MOSFET 有更低的开关损耗和更高性能的体二极管,从而实现更快的开关频率。

碳化硅器件可以在更高的温度下运行,可达到 200℃ 或更高。然而,封装技术限制了最高工作温度。为了使碳化硅运行在高温度,许多新封装技术正在开发中。

碳化硅器件的芯片面积更小,产生的栅极电荷和电容也更小,可以实现更高的开关速度,降低开关损耗。

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碳化硅 MOSFET 可以在高开关频率下工作,使磁性元器件更小,且功率损耗更低。低功率损耗与高工作温度和高热导率相结合,降低了冷却需求,从而使得冷却系统更小。在功率转换器应用中,高开关频率还可以减少输出电容器。

由于高击穿电压,在高压应用中(例如,高于 600V)使用碳化硅 MOSFET可以采用简化的拓扑,而硅 IGBT 因为其击穿电压通常在 650V 至 750V 的范围内,所选取的拓扑则不尽相同。简化的拓扑结构需要更少的组件,即更少的电源开关和栅极驱动器,以及在控制算法方面更少的设计工作量。

单个碳化硅功率器件比硅等效器件成本更高,但使用碳化硅器件能够节省系统成本,因为需要更少的组件、更小的无源组件尺寸、更小的冷却系统、相同里程范围内的更小的电池容量以及更少的设计开发工作量。

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SiC在主逆变器、OBC、DC-DC的应用

如上所述,碳化硅功率器件在功率密度、效率和冷却工作方面具有显着的系统优势,因为与硅 IGBT 相比,它们的损耗更低。在主逆变器、车载充电器 (OBC) 和 DC-DC 转换器这些应用中,碳化硅的优势尤为明显。

主逆变器不仅驱动电机,还用于再生制动并将能量回馈给电池。这意味着主逆变器确保了电池和电机之间的双向能量传输。车载充电器是交流到直流电源转换器,用于给电池充电。DC-DC 转换器将能量从一个电压等级传输到另一个电压等级。

下图显示了一种 DC-DC 转换器(高压到低压),它将高压电池的能量转换为低压的能量,为低压电池充电并给 12V 电子系统供电。在其它电动车辆中,例如基于燃料电池的车辆,还有其他类型的 DC-DC 转换器。

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碳化硅为主逆变器应用带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。车载充电器和 DC-DC 转换器都是电源应用,碳化硅为它们提供更高的开关频率FSW 、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。

戴姆勒与英飞凌合作开展了碳化硅在主逆变器系统中的优势研究。该项研究采用了英飞凌车规级功率模块 HybridPACK™ Drive的封装形式,一款是基于750V EDT2 IGBT 的技术,另外一款则采用了 1200V CoolSiC™ 碳化硅MOSFET 技术。

能耗的比较是集中在400V 和800V 的240千瓦电动 SUV上利用WLTP循环来进行的。

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研究表明:在相同的行驶条件、行驶里程下,在配备了 1200V SIC MOSFET 的 400V 系统中,逆变器的能耗降低了 63%,从而在 WLTP 驱动循环中节能 6.9%。

在配备了 1200V SIC MOSFET 的 800 V系统中,逆变器能耗降低 69%,整车能耗降低 7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估,因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。

那么,在成本方面碳化硅的使用又带来哪些益处呢?碳化硅逆变器比硅等效物更昂贵。然而,根据前述能耗的降低,车辆系统效率提高,因此需要更少的电池容量。由于电池成本节省超过了碳化硅增加的成本,因此可节省高达 6% 的系统成本。

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车载充电器通常具有两个单元:AC-DC 升压拓扑“功率因数校正”(PFC)单元,然后是隔离式 DC-DC 单元。PFC 可以通过多种拓扑结构实现,例如经典升压和图腾柱。与经典升压拓扑相比,图腾柱 PFC 表现出更高的功率密度和效率,因为它具有无桥 PFC,大大减少了二极管的数量。

英飞凌也研究了碳化硅在 PFC 单元的益处。研究的器件是基于硅的 650V TRENCHSTOPTM F5 IGBT 和基于碳化硅的 1200V CoolSiC™ MOSFET。

在400V 输出的 3.3 千瓦图腾柱 PFC上进行了功率损耗的比较。使用 1200V的碳化硅 MOSFET,功耗降低了 52%。然而,1200V 碳化硅器件的功耗仍被低估,因为应该与 650V 碳化硅器件进行公平的比较。与 1200V 等效器件相比,650V 碳化硅器件具有更低的电阻和更低的传导损耗。在任何情况下,碳化硅 MOSFET 都可以实现更高的效率。

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纯电动汽车中的高压到低压 DC-DC 转换器通常可转换高达 3 千瓦的功率,并且需要高效率。高压电池和低压系统之间必须隔离。由于其高效率,隔离式谐振转换器是一个很好的应用。

DC-DC 转换器大部分时间都在部分负载下工作。例如 10% 到 20% 的负载,这使得部分负载的效率成为关键。

英飞凌高性能硅基 CoolMOS™ CFD7 超级结 MOSFET 实现了良好的效率。使用新一代 CoolSiC™ 技术可以进一步提高效率,尤其是在部分负载下工作。

以氢为能源的燃料电池电动汽车是另一种具有巨大市场潜力的汽车。在燃料电池电动汽车中有两种类型的高压 DC-DC 转换器应用。

在典型的燃料电池系统中,有一个 DC-DC 升压转换器,用于将燃料电池堆的电压升压以向逆变器系统供电。另一个 DC-DC 双向转换器将电池能量输送到逆变器系统,同时也利用电机的再生能量为电池充电。此外,燃料电池汽车具有与其它电动汽车类似规格的逆变器系统。

通过使用碳化硅功率器件,可以提高 DC-DC 转换器以及逆变器系统的功率密度和效率。最终客户将受益于更少的氢消耗,因为现在氢的价格仍然很高,或者,使用同样数量的氢,汽车可以达到更长的续航里程。

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来源:英飞凌

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