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[分享] 碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)赋予新能源汽车技术更多潜能

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发表于 2020-4-30 16:37:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 gaosmile 于 2020-4-30 16:39 编辑

电动化浪潮之下,全球新能源汽车市场快速发展。而各类新材料及新型功率器件的出现,更是推动了汽车行业的电动化进程。包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在内的新型半导体材料在汽车行业的应用,正突破传统材料的限制,赋予新能源汽车技术更多潜能。

SiC和GaN的市场需求
在新能源汽车上,传统功率器件通常采用IGBT技术方案,但近年来随着材料科技的发展,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术正成为技术热点。目前,SiC已实现了车规级应用,GaN尚处于研发阶段。
理论上,SiC主要应用于大于600V的高压系统,如纯电动汽车的驱动电机逆变器。而GaN则是功率转换系统的理想解决方案,尤其适用于车载充电机或48V 直流转换器。也就是说,SiC是600V以上高压应用系统的最佳解决方案,GaN是600V以下的应用系统的理想选择。
从目前来看,SiC和GaN尚未完全取代IGBT,因为这几种材料都有各自的技术优势。其中SiC凭借其在性能以及降低整车成本等方面的诸多优势,正越来越受到新能源汽车市场的青睐,特别是牵引逆变器中的应用越来越广,并且该趋势在未来几年会变得更加明显。


谈到这些新兴技术,意法半导体(ST)汽车和分立器件产品部(ADG)大众市场业务拓展负责人、公司战略办公室成员GiovanniLucaSarica表示:“以已经市场化的SiC为例,该技术最初应用于高端车型,但随着成本的下降,如今已推广至中级车市场。相关数据显示,2020年约有40%以上的纯电动汽车采用SiC技术,而到2025年,SiC的普及率将提高至70%。”


GaN作为SiC之后,另一项发展中的新技术,虽然目前尚无车规级应用,但其前景已经被行业所看到。根据第三方预测数据,SiC和GaN在汽车行业的年复合增长率(2018-2025年)可分别达到52%和200%。
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SiC和GaN的市场应用前景
SiC的技术性能优势
SiC和GaN市场快速增长的背后,是其技术优势。以SiC为例,可有效提高能效,并使得系统结构更为紧凑,冷却设计也更为简化;此外还有助于缩短充电时间、增加续航里程。
如果比较一下传统的硅基器件和SiC技术,前者的最大工作温度为175度,而后者可以达到200度以上。SiC的这一技术特性使得器件能够耐受非常恶劣的工作环境,并且耗散功率更低。


值得一提的是,SiC技术如果应用于充电领域,还能提高充电速度。据意法半导体亚太区功率分立器件和模拟产品部区域营销及应用副总裁沐杰励(FrancescoMUGGERI)介绍,ST正在开发最高40kW的充电板解决方案,充电站可以将多个电源板组装在一起,使充电桩输出功率达到200kW以上,这样车辆完全充满电只需要不到一小时。未来如果输出功率达350kW,则一辆功率为90kW的电动车充满电的时间有望缩短至几十分钟。


Luca表示:“直流快速充电是发展趋势。电网很难在短时间内传输大量电能,我们需要一个类似于车载动力电池组的储能电池组,用于存储在几分钟内为汽车充电所需的电能。当充电站处于空闲模式时,电网给储能电池充电,也可以把太阳能发电系统接入整个充电系统,给储能电池充电。”


在Luca所提到的这个方案中,需要用到大量电子产品和技术,而所有这些新趋势和新应用,都将在未来几年内推动半导体行业的增长。
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ST应用于新能源汽车的3个电源模块

SiC的综合成本优势
当然,任何一项新技术的推出,在市场化应用的初期,成本是绕不开的话题,SiC也如此。对此,Luca表示,SiC解决方案的成本确实比IGBT高。从之前的统计数据来看,车用SiC解决方案的成本比IGBT高出约300美元。然而,随着市场规模的日渐扩大,以及SiC技术的不断改进,目前两者间的成本差距正在收窄。
但Luca同时表示,在考虑成本的时候,除了器件本身的成本,还要考虑因为性能提高而带来的车辆总成本的下降。具体来说,采用SiC技术后,开关频率可以设计得更高,从而能提高器件能效,减小无源器件的尺寸,并缩减模块的整体规格。此外,SiC解决方案所带来的高能效也可以降低动力电池冷却系统的尺寸。以上这些,在电动车总成本中有很高的占比。
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SiC技术优势及成本表现


“综合下来,与传统硅基解决方案相比,SiC解决方案可使整车半导体成本节省近2000美元。显然,这是SiC给汽车制造商带来的实实在在的成本效益。”Luca说道。


值得一提的是,为进一步降低功率器件成本,ST正计划将SiC生产从6英寸晶圆迁移到8英寸晶圆生产线。收购Norstel公司正是ST 8英寸晶圆制造战略的重要一步,通过产能升级,提高规模经济效益。
作为全球第一家量产的车规级SiC供应商,ST在SiC研发和生产上已经进行大量投入,目前已拥有70多项专利。而ST在SiC领域的专业经验,也将有助于GaN技术的研发。
显然,对于快速发展的新能源汽车市场,ST早已全面布局,尤其在中国成立了新能源汽车技术创新中心,加大本土化开发和投入。目前ST已经开发的新能源汽车产品涉及电池管理、电机驱动器,以及用于控制电驱动、充电、直流变换、电池控制的高性能32位汽车微控制器等,未来还将持续研发,致力于推动出行革命和电动汽车的高速发展。

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