SiC在電動(dòng)汽車(chē)的功率轉換中扮演越來(lái)越重要的角色

1   中國新能源汽車(chē)市場(chǎng)的需求特點(diǎn)

首先，中國的電動(dòng)化發(fā)展速度很快，中國企業(yè)的創(chuàng )新力旺盛，而且直接從傳統汽車(chē)向新能源汽車(chē)過(guò)渡，沒(méi)有美國或歐洲企業(yè)所面臨的復雜的“技術(shù)遺產(chǎn)”問(wèn)題。相比歐美，新興的中國車(chē)企更期待新能源汽車(chē)。在中國，功率轉換系統在汽車(chē)中的應用非常廣泛，這就是為什么ST專(zhuān)注于與中國客戶(hù)合作開(kāi)發(fā)電源管理系統。

ST汽車(chē)和分立器件產(chǎn)品部大眾市場(chǎng)業(yè)務(wù)拓展負責人公司戰略辦公室成員Giovanni Luca SARICA

2   SiC在成本上有優(yōu)勢嗎

SiC解決方案的成本是比IGBT方案多出一些，實(shí)際上，根據第三方獨立分析機構的整車(chē)半導體成本測算，SiC解決方案比IGBT方案每輛整車(chē)成本多出300美元（2019年測算）。2020年，根據ST的預測，考慮到制造規模變大，SiC技術(shù)改進(jìn)，兩種方案之間的成本差距正在收窄。

與硅基器件相比，SiC的成本優(yōu)勢不在于器件本身成本，而是體現在車(chē)輛總體成本方面，為汽車(chē)制造商節省很多錢(qián)。因為當采用SiC時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率可以設計得更高，這將提高器件的能效，降低無(wú)源元件的尺寸/成本。因為無(wú)源器件在應用系統總成本中占比很高；此外，當采用較小的無(wú)源器件時(shí)，還可以縮減模塊的整體尺寸，并且可以進(jìn)一步降低整體成本。在節省成本方面，汽車(chē)制造商還可以獲得其他的重要的好處。例如，當使用SiC解決方案獲得更高能效時(shí)，可以降低動(dòng)力電池冷卻系統的尺寸，電池冷卻系統是導致總體成本增加的主要因素。最終，根據獨立分析機構的預測，與傳統硅基解決方案相比，SiC解決方案可使整車(chē)半導體成本節省 2 000 美元。顯然，這是SiC給汽車(chē)制造商帶來(lái)的實(shí)實(shí)在在的成本效益。

同時(shí)，SiC有助于提高車(chē)輛的性能，延長(cháng)新能源汽車(chē)的續航里程，帶來(lái)更好的綜合用戶(hù)體驗，并使車(chē)輛充電速度更快。

所有這些要素對于新能源汽車(chē)的市場(chǎng)普及極為重要，政府產(chǎn)業(yè)鼓勵政策固然重要，但是，真正的市場(chǎng)需求，越來(lái)越多的可選車(chē)型，更好的用戶(hù)體驗，以及產(chǎn)品優(yōu)勢，才是引爆電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的關(guān)鍵。

我們看到SiC在新能源汽車(chē)市場(chǎng)的應用趨勢正在上升。由于成本原因和性能優(yōu)勢，SiC最初被廣泛用于高端車(chē)型。今天，SiC已成為中檔量產(chǎn)純電動(dòng)汽車(chē) (BEV)的制勝方案，廠(chǎng)商正在利用SiC的真正的成本優(yōu)勢。據分析，由于成本優(yōu)勢，2020年將有40％以上的純電動(dòng)汽車(chē)采用SiC。2025年，SiC的普及率將會(huì )更高，屆時(shí)將有超過(guò)70％的電動(dòng)汽車(chē)使用SiC。顯然，這不僅是因為更高的能效和更好的用戶(hù)體驗，而是因為SiC帶來(lái)更多的成本優(yōu)勢。也因此，SiC成為研制高性?xún)r(jià)比的量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)的最佳解決方案。

3   快充的發(fā)展趨勢

2020年，電動(dòng)汽車(chē)充1次電可以行駛約400~500 km。而傳統汽車(chē)一箱油就可以行駛約700 km。SiC等新技術(shù)延長(cháng)了電動(dòng)汽車(chē)的續航里程。ST一直在開(kāi)發(fā)最高40 kW的充電板解決方案，充電站可以將多個(gè)這樣的電源板組裝在一起，使充電樁輸出功率達到200 kW以上，350kW是新的發(fā)展方向。充到安全電量需要大約1 h，這是我們的技術(shù)極限，也是我們一直在研究的領(lǐng)域。隨著(zhù)SiC的發(fā)展和電路板數字化，充電技術(shù)有幾個(gè)發(fā)展方向。其中一種是無(wú)線(xiàn)充電，即車(chē)輛在高速公路上行駛過(guò)程中充電。

但是，我們正在討論不同的汽車(chē)使用方式。在城市中使用家用汽車(chē)時(shí)，關(guān)鍵是要經(jīng)常為汽車(chē)續充，這是目前市場(chǎng)接受的唯一解決辦法。我們正在研發(fā)可快速傳輸能量的充電解決方案，同時(shí)還必須了解快速充電附帶的巨大危險，因為在充電站充電時(shí)，需要在短時(shí)間內將200 kW甚至更大功率傳輸到車(chē)輛，這意味著(zhù)需要通過(guò)電纜安全地傳輸大量能量。

直流快速充電是一個(gè)發(fā)展趨勢，我們的目標是在幾分鐘后為車(chē)輛充滿(mǎn)電或充入部分電量。350 kW直流快速充電系統基本上可以實(shí)現這個(gè)目標。這確實(shí)是一個(gè)巨大的商機，ST擁有此類(lèi)應用所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括SiC。這個(gè)目標帶來(lái)多個(gè)挑戰，同時(shí)也帶來(lái)多個(gè)商機：在短時(shí)間內需要大量電能時(shí)，電網(wǎng)很難傳輸如此大的電能。因此，在剛才提到的充電系統中，我們需要一個(gè)類(lèi)似于車(chē)載動(dòng)力電池組的儲能電池組，用于存儲在幾分鐘內為汽車(chē)充電所需的電能。當充電站處于空閑模式時(shí)，電網(wǎng)給儲能電池充電，也可以把太陽(yáng)能發(fā)電系統接入整個(gè)充電系統，給儲能電池充電。這個(gè)方案需要開(kāi)發(fā)大量的電子產(chǎn)品和技術(shù)。在大多數情況下，此類(lèi)技術(shù)與電動(dòng)汽車(chē)和車(chē)載動(dòng)力電池的技術(shù)非常相似。我們堅信，這些趨勢將在未來(lái)幾年推動(dòng)電子半導體整體需求增長(cháng)。

（注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）