罗姆：SiC在电动汽车应用中的趋势

电动汽车零部件何时会从Si基功率器件切换到SiC？罗马根据汽车厂整理的SiC应用趋势回答了这个问题。电动车的历史虽然不逊于内燃机车，但实际上已经被世界各主要国家推广，这是最近十年的事情。电动汽车与经过市场几十年、上百年考验的内燃机车相比，存在诸多不足，为汽车制造商和用户所诟病。但是这些缺点正在被克服，其中一个重点解决方案是电力电子技术。或者，我们可以认为，明面上的电动汽车供电系统和电驱动系统的演变过程，在一定程度上反映了暗面上的动力器件的发展过程。新能源驱动系统的主要技术驱动力是电力电子器件技术。在向高速、集成化和大功率发展的道路上，电力电子器件是主要的推动力之一。从芯片上看，电力电子的总体趋势是小型化、高功率密度、低损耗；从模块的发展方向来看，会向耐高温、耐高压、高频方向发展。这些决定了MOSFET在高压大电流应用中，由于耐压低，损耗过大而被新能源汽车的高压元件所排斥。考虑到技术的可行性和实用性，IGBT的应用正当其时。为了进一步提高续航里程，缩短充电时间，应对车辆系统和电机系统明显的高压平台化趋势，越来越多的车企开始考虑SiC(碳化硅)功率器件。SiC在电动汽车上的妙用中，车载充电器、DC/DC变换器、主逆变器、电动压缩机对电力电子器件的要求较高，基本都需要IGBT或SiC功率器件。使用SiC有什么好处？在SiC领域浸已久的Roma认为其阻抗更低，模块会更小，效率更高。高效SiC模块作用于双向OBC，可以缩短充电时间，减少电损耗。如果作用于主驱动逆变器，有助于增加续航里程，减小电池体积，降低成本。SiC可以突破其他功率器件的频率瓶颈，对减小变压器和电感的体积有很大的帮助。相关部件的体积可以缩小到原来的1/10。而且SiC可以在更高的温度下工作，其工作温度相对于Si可以达到270度。这样它需要的冷却系统可以更简单，散热器也会小型化。以5kW DC/DC变换器为例说明碳化硅带来的好处。与原来使用Si基IGBT的转换器相比，SiC基MOS的芯片面积约为原来的1/4。最后，高压电源的体积减少了80%。效率高，损耗降低63%。当DC/DC转换器采用开关频率为160kHz的SiC方案时，变压器体积减小。罗马的SiC模块已经用于Formula-E电动方程式赛车。以前，赛车使用内置传统IGBT模块的传统逆变器。到2016年10月第三季度，它使用了由SiC SBD(碳化硅肖特基二极管)和Si IGBT组成的混合模块。相同输出功率(200kW)下，逆变器重量减轻2kg，体积缩小19%。到2017年12月第四季度，逆变器已经采用了由SiC MOS和SISBD组成的全Sic模块。与传统逆变器相比，其输出功率提高到220kw，重量减轻6kg，体积减小43%。罗马对SiC的未来极为乐观。从今年到2025年，汽车和工业对SiC的需求将呈现显著增长趋势。特别是汽车OBC和逆变器用碳化硅的需求将在未来五年呈线性增长。当前电动车市场有三大趋势。一个是用户非常关心续航里程的增加。这就对电池容量提出了越来越高的要求，或者通过使用SiC来提高效率，这样在相同的电池组容量下，可以提高续航里程。第二，用户需要更快的充电时间，这也需要考虑效率。第三，欧洲电动车的电压平台有明显的高电压化趋势。目前普通乘用车的电压平台大概是400V到600V，欧洲一些车企提出了800V的电压平台。电压升高后，电流即使降低也能达到同样的功率，可以减轻充电线的重量，有效降低整车重量。以上三个市场趋势，其实都需要SiC功率器件的作用。Roma根据汽车工厂整理了SiC在汽车上应用的趋势。理论上，电动汽车零部件何时会从Si基功率器件切换到SiC？这种应用趋势回答了时间的问题。目前，SICBSD在OBC已经全面应用。2017年后，提出了对sicbo的需求，部分车企开始使用内置sicbo的OBC。在DC/DC转换器上，大约在2018年，它从Si MOS切换到SiC MOS。逆变器可能会在2021年从IGBT和硅FRD切换到碳化硅MOS。目前，特斯拉已经开发并量产了基于SiC MOS的大功率电机控制器。用于快速充电的大功率DCDC有望在2020年应用于SiC MOS。SiC应用与passa的分水岭……随着时间的推移，碳化硅在电动汽车上的新应用为其带来了巨大的潜在市场。罗马正在加快步伐，扩大其产品矩阵。2009年收购碳化硅晶圆原料公司SiCrystal。2010年，SiC SBD开始量产，全球首款量产SiC MOS发布。2012年量产全SiC功率模块；在2015年沟槽SiC MOS的量产中。然后在2017年，它开始大规模生产6英寸碳化硅SBD。去年其6英寸平面SiC MOS量产，开发了第四代槽型。今年，它量产了第三代凹槽SiC MOS，并在PCIM亚洲发布了第四代凹槽SiC MOS。沟槽SiC MOS开关损耗低，比IGBT低73%，导通电阻低，有利于进一步节能。Roma还在扩大碳化硅晶片/器件的产能，以满足市场需求。到2025年将总共投入约850亿日元。这笔投资大部分会投在SiC上，也有一部分会投在驱动iC芯片上。到2025年，将碳化硅功率器件和碳化硅晶片产能提高到2017年的16倍左右。另一方面，虽然罗马加快了工厂的扩建，但对SiC的总产量非常谨慎。动力器件的成本，车企的态度，电动车市场的变化，都是影响实际需求的因素。当从Si IGBT切换到SiC功率器件时，成本必然会上升。SiC能够产生正经济效益的时间将是其能够推广的分水岭。Roma预测，当电池电压平台为500V时，2021年部分车型可以实现整体成本降低。比如2021年，电池容量40kwh，系统功率大致在70kw以下的车辆使用SiC更有优势。这些车型集中在中国市场和欧洲市场。电动汽车零部件何时会从Si基功率器件切换到SiC？罗马根据汽车厂整理的SiC应用趋势回答了这个问题。电动车的历史虽然不逊于内燃机车，但实际上已经被世界各主要国家推广，这是最近十年的事情。电动汽车与经过市场几十年、上百年考验的内燃机车相比，存在诸多不足，为汽车制造商和用户所诟病。但是这些缺点正在被克服，其中一个重点解决方案是电力电子技术。或者，我们可以认为，明面上的电动汽车供电系统和电驱动系统的演变过程，在一定程度上反映了暗面上的动力器件的发展过程。新能源驱动系统的主要技术驱动力是电力电子器件技术。在向高速、集成化和大功率发展的道路上，电力电子器件是主要的推动力之一。从芯片上看，电力电子的总体趋势是小型化、高功率密度、低损耗；从模块的发展方向来看，会向耐高温、耐高压、高频方向发展。这些决定了MOSFET在高压大电流应用中，由于耐压低，损耗过大而被新能源汽车的高压元件所排斥。考虑到技术的可行性和实用性，IGBT的应用正当其时。为了进一步提高续航里程，缩短充电时间，应对车辆系统和电机系统明显的高压平台化趋势，越来越多的车企开始考虑SiC(碳化硅)功率器件。SiC在电动汽车上的妙用中，车载充电器、DC/DC变换器、主逆变器、电动压缩机对电力电子器件的要求较高，基本都需要IGBT或SiC功率器件。使用SiC有什么好处？在SiC领域浸已久的Roma认为其阻抗更低，模块会更小，效率更高。高效SiC模块作用于双向OBC，可以缩短充电时间，减少电损耗。如果作用于主驱动逆变器，有助于增加续航里程，减小电池体积，降低成本。SiC可以突破其他功率器件的频率瓶颈，对减小变压器和电感的体积有很大的帮助。相关部件的体积可以缩小到原来的1/10。而且SiC可以在更高的温度下工作，其工作温度相对于Si可以达到270度。这样它需要的冷却系统可以更简单，散热器也会小型化。以5kW DC/DC变换器为例说明碳化硅带来的好处。与原来使用Si基IGBT的转换器相比，SiC基MOS的芯片面积约为原来的1/4。最后，高压电源的体积减少了80%。效率高，损耗降低63%。当DC/DC转换器采用开关频率为160kHz的SiC方案时，变压器体积减小。罗马的SiC模块已经用于Formula-E电动方程式赛车。以前，赛车使用内置传统IGBT模块的传统逆变器。到2016年10月第三季度，它使用了由SiC SBD(碳化硅肖特基二极管)和Si IGBT组成的混合模块。相同输出功率(200kW)下，逆变器重量减轻2kg，体积缩小19%。到2017年12月第四季度，逆变器已经采用了由SiC MOS和SISBD组成的全Sic模块。与传统逆变器相比，其输出功率提高到220kw，重量减轻6kg，体积减小43%。罗马对SiC的未来极为乐观。从今年到2025年，汽车和工业对SiC的需求将呈现显著增长趋势。特别是汽车OBC和逆变器用碳化硅的需求将在未来五年呈线性增长。当前电动车市场有三大趋势。一个是用户非常关心续航里程的增加。这就对电池容量提出了越来越高的要求，或者通过使用SiC来提高效率，这样在相同的电池组容量下，可以提高续航里程。第二，用户需要更快的充电时间，这也需要考虑效率。第三，欧洲电动车的电压平台有明显的高电压化趋势。目前普通乘用车的电压平台大概是400V到600V，欧洲一些车企提出了800V的电压平台。电压升高后，电流即使降低也能达到同样的功率，可以减轻充电线的重量，有效降低整车重量。以上三个市场趋势，其实都需要SiC功率器件的作用。Roma根据汽车工厂整理了SiC在汽车上应用的趋势。理论上，电动汽车零部件何时会从Si基功率器件切换到SiC？这种应用趋势回答了时间的问题。目前，SICBSD在OBC已经全面应用。2017年后，提出了对sicbo的需求，部分车企开始使用内置sicbo的OBC。在DC/DC转换器上，大约在2018年，它从Si MOS切换到SiC MOS。逆变器可能会在2021年从IGBT和硅FRD切换到碳化硅MOS。目前，特斯拉已经开发并量产了基于SiC MOS的大功率电机控制器。用于快速充电的大功率DCDC有望在2020年应用于SiC MOS。SiC应用与passa的分水岭……随着时间的推移，碳化硅在电动汽车上的新应用为其带来了巨大的潜在市场。罗马正在加快步伐，扩大其产品矩阵。2009年收购碳化硅晶圆原料公司SiCrystal。2010年，SiC SBD开始量产，全球首款量产SiC MOS发布。2012年量产全SiC功率模块；在2015年沟槽SiC MOS的量产中。然后在2017年，它开始大规模生产6英寸碳化硅SBD。去年其6英寸平面SiC MOS量产，开发了第四代槽型。今年，它量产了第三代凹槽SiC MOS，并在PCIM亚洲发布了第四代凹槽SiC MOS。沟槽SiC MOS开关损耗低，比IGBT低73%，导通电阻低，有利于进一步节能。Roma还在扩大碳化硅晶片/器件的产能，以满足市场需求。到2025年将总共投入约850亿日元。这笔投资大部分会投在SiC上，也有一部分会投在驱动iC芯片上。到2025年，将碳化硅功率器件和碳化硅晶片产能提高到2017年的16倍左右。另一方面，虽然罗马加快了工厂的扩建，但对SiC的总产量非常谨慎。动力器件的成本，车企的态度，电动车市场的变化，都是影响实际需求的因素。当从Si IGBT切换到SiC功率器件时，成本必然会上升。SiC能够产生正经济效益的时间将是其能够推广的分水岭。Roma预测，当电池电压平台为500V时，2021年部分车型可以实现整体成本降低。比如2021年，电池容量40kwh，系统功率大致在70kw以下的车辆使用SiC更有优势。这些车型集中在中国市场和欧洲市场。

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