用数据告诉你 SiC对汽车电动化有哪些重要意义？

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    汽车电动化是其中一大发展方向。纯电动汽车市场尚未成熟，目前存在几种过渡产品，分别在汽车电子方面具有怎样的特点和需求？SiC这种新功率器件材料在其中又扮演者怎样的重要角色？

    智能驾驶是汽车电子的一大热门议题，涉及三个挑战：更安全、更绿色、更连接。汽车电动化是其中一大发展方向。纯电动汽车市场尚未成熟，目前存在几种过渡产品，分别在汽车电子方面具有怎样的特点和需求？SiC这种新功率器件材料在其中又扮演者怎样的重要角色？日前，ASPENCORE旗下电子工程专辑、国际电子商情和电子技术设计联合举办的第十九届电源管理论坛（电动汽车快充和新功率器件技术）上，意法半导体（ST）功率分离器件市场部区域经理吕晓东在其“ST功率产品助力汽车电动化”议题上，对此一一给出了答案。

    吕晓东介绍说，更安全是要求汽车能监控周边环境，并针对突发情况做出自主反映。更绿色是尽量减少汽车尾气排放。更连接是让汽车能够和外部网络建立更多连接，使之成为移动终端，让驾乘人员更好地和外部通信和娱乐。

    他指出，电动汽车的发展受到产业链的限制，例如现在的一大瓶颈是电池，包括安全性、能量密度和便捷性等。目前大部分电动汽车都是使用锂电池，由于材料的限制，要想在短时间内提高电解电池的密度不太现实。随着锂电池成本的逐年下滑，一定程度可以促进电动汽车的发展。据相关机构预测，预计到2025年，电动车的成本将与传统燃油车相当。到2035年，电动车的总销量将超过4亿辆。

    MHEV、HEV、PHEV、BEV分别是什么？未来的发展方向又如何？

    根据控制方式不同，电动汽车可分为几个类型：轻混电动（MHEV）、混动（HEV）、插电混动（PHEV）和纯电动（BEV）。

    轻混系统是在原有12V系统基础上增加了一个48V的电池组。这个48V电池组一方面连接12V电池组，另一方面用于电机驱动。它可以供给汽车上一些大功率用电设施，例如空调压缩机或助力转向系统。在汽车启动低力矩的情况下，它可以增加动力输出。

    混动系统在48V的基础上增加了一个400V~800V的高压电池组，可以提供更大动力。

    插电混动是在混动系统基础上增加了OBC，可以给高压电池组充电。

    纯电动则是用电机完全替代燃油机，做到*电气化。

    总的来说，随着汽车电气化程度的增加，每公里的费用将会降低，排放也越低。但纯电动车现在所面临的几个问题是，续航里程还不够，充电时间长/便捷性不够，以及整车成本较高。

    如下图所示，MHEV、HEV和PHEV作为汽车电动化的过渡类型产品，各方面的表现也是居中。由于纯电动车目前市场尚未成熟，因此据相关机构预测，这几种过渡类型产品未来几年的销量仍会增加。但纯电动车将会是*终方向。

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    根据StrategyAnalytics机构的研究数据显示，汽车由内燃机向电动车过渡所带来的电子器件成本的增加，由燃油车330美元的平均电子器件成本增加到48V轻混系统的513美元（包括电池管理，DC-DC转换器，牵引逆变器等），再到纯电动平均电子物料的成本为910美元。

    在这当中，半导体的增长主要来源于功率器件。

    半导体以后的增长将来自于纯电动和插电混动。

    纯电动汽车的简单架构

    纯电动汽车需要加入电池组、电机连接/驱动，以及电池管理。涉及的主要部件包括OBC、DC-DC、电驱和电池管理系统，以及外部的充电设施，如充电桩。在这一领域，ST可提供的汽车级的产品包括32位MCU、功率模块、驱动IC、功率器件（如碳化硅MOSFET、IGBT）等。该公司目前正在配合全球20家以上的汽车制造商使用这些产品，吕晓东透露说。

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    碳化硅MOSFET为什么在汽车市场重要？具体又有哪些应用？

    相比成熟的硅材料，SiC的产业链需要全新的布局。比如，SiC的可靠性、生产设备、缺陷密度以及成本都是较大挑战。但是SiC的性能非常明显，例如其临界击穿场强是Si的10倍。它在相同耐压情况下可实现更高的掺杂水平，进而实现更低的导通阻抗。同时，SiC可以实现更高的耐压水平，例如1200V甚至1700V。并且SiC现在还没有达到极限，后续还有提升空间。

    另外的优势包括：SiC如果做到极限，阻抗可以做到Si的1/300；导通热阻可以做到3倍；可工作在更高的温度环境下。基于这些优势，SiC可以降低80%的开关损耗，对于方案的重量和体积都可以降低80%到85%。SiC*近受到关注，一个主要原因就是电动汽车的兴起。

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    SiC带来的效率提升可以带来续航里程的增加。有数据指出，SiC可以使续航里程获得5%~10%的增加。

    然而，从工艺水平看，SiC的良率还不如Si，因此成本比硅基器件要高，但是它可以带来整体成本的节省。

    据相关机构研究，虽然在一辆电动车上采用SiC会多花300美金，但可换回总系统成本2000美金的节省，具体包括600美金的电池成本节省、600美金的电动汽车空间节省，以及1000美金的散热系统节省。而且SiC方案的电池容量不需要做到那么大，充电时间也可以降低50%。对于光伏应用，SiC的优势也非常明显。相比IGBT，SiC没有拖尾电流，可以工作在更高的开关频率（5倍的开关频率）下，并且功耗可以减少50%。带来的系统成本节省可以有20%，体积、重量可节省70%到80%，装配费用可降低50%。而且SiC可靠性比较好，可以保证10年使用寿命。

    SiC的主要应用市场

    在汽车市场，SiC主要应用在600V到1200V场合，包括电驱、OBC和DC-DC等项目。在电驱方面，SiC已经应用于续航超过600km的汽车中。OBC和DC-DC应用主要是可节省方案的尺寸，使电动汽车变得更轻。SiC也可以用在光伏发电、工业自动化、储能、充电桩等应用。对于1700V的场合，还有轨道交通、风能发电等应用。

    在OBC和电驱方面，SiCMOSFET和Si基IGBT的比较

    目前的11kW三相OBC拓扑中，有一些方案是用IGBT并联快恢复二极管的方式。
而用SiCMOSFET则不需要并联这个二极管，因为它本身就有一个性能优良体二极管。

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    从损耗上看，SiCMOSFET相比IGBT可以将损耗从300W降至216W，从而减少散热片的尺寸。从开关频率看，IGBT一般工作在30kHz以下，而SiC可以工作在150kHz。此外，SiC器件可减小40%的体积和重量，效率可以提升0.8%。总的来说，SiC可减少器件尺寸，降低汽车重量，提高效率。

    SiC在改善电驱性能方面也效果明显。首先，SiCMOSFET能在高耐压的前提下保持优良的特性，具备极低的内阻。其次，它自带方向恢复时间极小的体二极管。再次，由于没有拖尾电流的存在，能够工作在更高频率的状态下。另外SiCMOSFET能工作在更高的结温下，STSiCMOSFET的高结温可达200℃，可靠性优于IGBT。同时，SiC的驱动也比较简单，通用方案即可满足，ST也有自己的驱动芯片。

    SiC由于其临界击穿场强更高，因此电压水平越高，其优势也越明显。例如，400V是目前乘用车大概的电压水平。在这个电压水平下，SiC的尺寸相当于IGBT（+二极管）的1/3，效率可提升2~5%。750V主要有挂车应用。在这种情况下，SiC的优势更加明显——尺寸只占到IGBT的1/5，效率可提升5~10%。

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    对于1200V的应用，SiC相较于IGBT的优势如下。

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    另外，在隔离方案方面，磁隔离是一种噪声比较小、可靠性比较高、设计比较灵活的方案。ST也是有一款磁隔离驱动芯片，专门配合SiCMOSFET使用。下图右边是设计建议。

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    几点信息补充

    另外，在会议结束后，吕晓东在接收EDN采访时，给出了以下几点关键信息补充：

    1.48V系统相比12V系统可以提高4倍功率输出，并提高效率。目前大多48V系统会依然保留12V系统，用于多媒体、雨刷等功能。这需要加一个48V转12VDC-DC转换器。另外需要一个48V的电机，因此需要相应的驱动。ST为48V系统48V-12VDC-DC转换器和48V电机驱动提供了一整套汽车级的半导体器件方案，包括MOSFET，保护器件，驱动IC和MCU。

    对于48V-12V转换器，通常使用同步整流的方案。由于高低边工作状态的差别，对于MOSFET的某些规格的需求也不一样。高边管需要快速关断，需要Qg小的MOSFET；低边管电压相对较小，需要体二极管作为续流，所以需要低内阻、体二极管Qrr更小的MOSFET。

    2.ST现在量产了第二代SiCMOSFET和第三代SiC二极管，通过了AEC-Q101认证。ST也是*家量产汽车级SiCMOSFET的公司。

    3.目前SiC性能的提升受制于工艺水平。ST也在开发第三代SiCMOSFET，并计划在这之后的产品上采用沟槽工艺（vs现在的平面工艺），以期进一步降低内阻。目前其650VSiCMOSFET的内阻做到＜20mΩ，1200V做到＜30mΩ。工作结温高达200℃，同时在200℃的结温下依然保持低内阻水平（只相当于25℃常温下的1.3倍）。

    4.2018年STSiC销售取得较大的增长，2019年预期将会比去年翻一翻。由于产能限制，ST尚不能满足全部客户需求。但是该公司也在这方面积极布局，例如与Cree签订长期裸片供货协议，计划收购瑞典SiC晶圆制造商Norstel的多数股权，扩充卡塔尼亚厂6英寸晶圆的产能等，从而满足更多需求。

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