博格華納為何鐘情碳化硅，未來(lái)得碳化硅者得天下？

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電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展還有上升空間嗎？更大的電池？更加密集的充電網(wǎng)絡(luò )？再快一點(diǎn)彈射起步？還是全都要？
一直以來(lái)圍繞電動(dòng)汽車(chē)的最大痛點(diǎn)，其實(shí)是人們內心中對于電本身的焦慮和無(wú)奈。為什么痛苦？車(chē)企都在圍繞這個(gè)核心又迷茫的話(huà)題不斷進(jìn)行探索。換電，大電池，高密度三元鋰，這些技術(shù)并不是實(shí)行的困難有多大，也不是效果有多不好，但是落地之后總覺(jué)著(zhù)差點(diǎn)什么。人們還是會(huì )擔心，還是會(huì )焦慮，從而放棄購買(mǎi)雖然看起來(lái)已經(jīng)很好的電動(dòng)汽車(chē)。說(shuō)不出來(lái)到底是什么痛，甚至不知道是否是痛，但就是哪里都不舒服。這就是電動(dòng)車(chē)“百步之行，九十為半”的最后一哆嗦。
現在可以回答了：補上這一哆嗦的，就是高壓電氣技術(shù)。從光伏能源，未來(lái)電站，傳輸網(wǎng)絡(luò )，到用戶(hù)端充電系統，電動(dòng)汽車(chē)控制系統，全面跨入高壓行列。多高算高壓？目前的主流高端純電平臺，依舊以400V為主。2019年4月保時(shí)捷Taycan Turbo S全球首發(fā)，帶來(lái)了實(shí)際第一款真正意義的800V高壓電氣平臺。兩年后，800V平臺基本在主流車(chē)企的新一代平臺中均有提及。相比于400V，800V 帶來(lái)了更高的功效，更快的充電時(shí)間。充電時(shí)間在800V的加持下大幅提升功率，實(shí)現15分鐘快充補能。
一個(gè)關(guān)鍵的轉變在于，汽車(chē)以及其搭載的電池開(kāi)始并不僅僅以續航里程來(lái)判斷優(yōu)劣，一個(gè)新的參數，“每分鐘充電所行駛的里程數”，成為解決用戶(hù)痛點(diǎn)的新關(guān)鍵。這說(shuō)明，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)絕不能僅僅考慮電池的大小，整車(chē)架構的效率，充電效率、甚至更上游的充電網(wǎng)絡(luò )必須提升到相同戰略高度，才有可能徹底解決純電汽車(chē)所謂痛點(diǎn)“不痛不癢”的尷尬局面。
那么，要想未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)如果可以達到像加油一樣便捷，高壓電氣技術(shù)全面生態(tài)化是必經(jīng)之路。全生態(tài)的高壓技術(shù)不僅大幅降低了傳輸的損耗，同時(shí)大幅縮短的傳輸時(shí)間，實(shí)現真正意義上的超級快充。對于汽車(chē)本身電子架構來(lái)講，基于整車(chē)熱管理的壓力會(huì )更小，電子響應更快，相當于給純電汽車(chē)全身打通“任督二脈”。從電的來(lái)源看，光伏+儲能的高壓化引領(lǐng)都不僅僅是車(chē)這一領(lǐng)域，而是真正的人類(lèi)能源革命。
而構建這一“超能力”的靈魂，就是材料的革新?；谔蓟瑁⊿iC）的新型控制器MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）會(huì )引領(lǐng)這一波高壓技術(shù)革命。
▲電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵因素：1分鐘充電可以行駛多遠？
全生態(tài)電氣系統：廣闊天地，大有可為。先不急于討論這種關(guān)鍵零部件的優(yōu)勢，我們再回到全生態(tài)高壓電氣化的偉大構想中。當我們討論新一代電氣化車(chē)型時(shí)，無(wú)論是純電汽車(chē)還是插電混動(dòng)，汽車(chē)成為電氣生態(tài)的一環(huán)，電氣化拓寬至從發(fā)電到用電甚至電氣回收，這種產(chǎn)業(yè)鏈的轉變給各個(gè)頂級的巨型科技公司帶來(lái)了巨大的想象空間。
▲覆蓋多個(gè)生產(chǎn)生活應用場(chǎng)景的電氣化生態(tài)電動(dòng)汽車(chē)最關(guān)鍵部件之一是逆變器。除了電機和電池之外，它是電氣化最大的標簽產(chǎn)品之一。該重要裝置將來(lái)自電池組的直流電（DC）轉換成交流電（AC），為車(chē)輛提供動(dòng)力。一般所需的逆變器數量取決于車(chē)輛上使用的電動(dòng)機的數量（ 通常每個(gè)電動(dòng)機一個(gè)），高度智能化的架構不排除各種更多的逆變器。此外，圍繞整車(chē)電氣架構，大量的關(guān)鍵電源為各個(gè)系統所服務(wù)，不同系統的供應商在不同生產(chǎn)開(kāi)發(fā)流程中積極布局。
▲車(chē)用關(guān)鍵電源零部件
▲車(chē)用SiC模組布局企業(yè)▲汽車(chē)，成為消費端高壓技術(shù)的最大應用場(chǎng)景，引領(lǐng)技術(shù)變革從2018年特斯拉首次開(kāi)始大批量引入SiC開(kāi)始，這種“高端技術(shù)”逐漸成為各大車(chē)企平臺的“標配”。比亞迪唐，奧迪等，會(huì )逐漸在2023-2024年會(huì )爆發(fā)性上市。奧迪第一款800V SiC SOP將會(huì )搭載在PPE平臺。奔馳的MMA平臺會(huì )在2024-2025年跟進(jìn)，此外，volvo也在量產(chǎn)800V進(jìn)程中?？梢灶A見(jiàn)800V將會(huì )是未來(lái)主力競爭車(chē)型的標配。
此外，需要特別注意的是，作為生態(tài)中另一關(guān)鍵極，光伏電站作為更大規模的電轉化基礎設施，可以說(shuō)未來(lái)必須作為電動(dòng)汽車(chē)的一部分來(lái)考慮整個(gè)生命周期的能效和運作方式。各種規模的發(fā)電終端與高壓電動(dòng)汽車(chē)的儲能終端在某些方面非常相似，其固有邏輯差別不大，太陽(yáng)能電池串聯(lián)連接以獲得高電壓，并聯(lián)連接以獲得更高的電流/功率。目前一種主流的趨勢是增加模塊串上的電壓，以利用相應較低的電流來(lái)降低連接器和布線(xiàn)中的功率損耗。模塊的典型標稱(chēng)電壓在 500 到 1000 V 左右，會(huì )越來(lái)越頻繁地達到 1500 V。每個(gè)組串通常都有自己的相對低功率的逆變器，而不是單個(gè)中央逆變器，從而確?？蓴U展性、經(jīng)濟性和容錯性。此時(shí)DC/DC升壓轉換器和逆變器中使用的半導體元件并不比整車(chē)中所帶來(lái)的影響小，從而如果我們從一個(gè)整體的觀(guān)念來(lái)看，好像這種開(kāi)關(guān)串聯(lián)起了整個(gè)電力動(dòng)力，從太陽(yáng)到我們能夠駕駛、使用、娛樂(lè )的各種整車(chē)設施，是電池外最重要的“經(jīng)絡(luò )”。
▲從2018年特斯拉首次開(kāi)始大批量引入SiC開(kāi)始，這項技術(shù)革命將逐漸從汽車(chē)快速滲透到整個(gè)電力交通出行生態(tài)
碳化硅SiC, 毫無(wú)疑問(wèn)的趨勢全球不同供應商/開(kāi)發(fā)者對于未來(lái)電壓以及標準的最終解決方案都會(huì )有側重自己產(chǎn)品的展望，有趣的是，無(wú)論從那個(gè)角度，高頻高壓的盡頭是SiC。也就是說(shuō)， 無(wú)論從哪個(gè)方面來(lái)看，現有最好的解決方案就是SiC模塊。這取決于未來(lái)開(kāi)關(guān)的應用方式，更高的頻率以及更高的電壓，即便SiC的傳導功耗實(shí)際上要比IGBT高（后文會(huì )詳細對比），但也無(wú)法阻擋應用端的爆發(fā)驅使歷史終究會(huì )選擇SiC。
▲不同角度下高頻高壓材料的終點(diǎn)是SiC從Yole公司發(fā)布的2020-2026市場(chǎng)預測報告中可以看出，SiC顯然成為技術(shù)與市場(chǎng)的雙重共識，比例不斷提升，復合年均增長(cháng)率超過(guò)25%。
▲SiC市場(chǎng)的爆發(fā)增長(cháng)以及各個(gè)增長(cháng)領(lǐng)域預測

IGBT與SiC模組的優(yōu)與劣IGBT無(wú)疑是當今汽車(chē)核心技術(shù)的關(guān)鍵。與SiC MOSFET相比，兩者在幾個(gè)方面存在顯著(zhù)差異：IGBT由于其動(dòng)態(tài)損耗而被限制在低頻范圍內，但在導通時(shí)會(huì )發(fā)出恒定的飽和電壓，從而導致與電流成正比的功耗。SiC MOSFET 可以在數百 kHz 的頻率下以低動(dòng)態(tài)損耗進(jìn)行開(kāi)關(guān)，但在導通時(shí)表現出恒定的電阻。這導致功耗與電流的平方成正比。隨著(zhù)功率吞吐量的增加，SiC MOSFET的功耗會(huì )顯著(zhù)上升，這也是其一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。圖中顯示了額定50A 的IGBT PIM和額定為 38A 的 SiC PIM 的電壓降與傳導損耗成正比。最佳效率的轉換點(diǎn)約為 25A（125℃）。也就是說(shuō)對于25A，甚至30A以下的傳導損耗，SiC MOSFET的損耗缺點(diǎn)可以完美避開(kāi)，從另一個(gè)角度上看，高壓（低電流）是SiC完美的搭檔。
▲IGBT PIM 和 SiC MOSFET PIM 在 125 °C 時(shí)的壓降當對比動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)操作時(shí)，SiC MOSFET 的優(yōu)勢就凸顯出來(lái)了。動(dòng)態(tài)損耗與頻率直接相關(guān)。也就是說(shuō)一開(kāi)一關(guān)同樣會(huì )帶來(lái)?yè)p耗。例如前文中 IGBT 和 SiC MOSFET 在 20 至 30 A 范圍內以相同低頻（例如 16 kHz）開(kāi)關(guān)時(shí)，傳導損耗相似，但動(dòng)態(tài)損耗卻大不相同。在“開(kāi)”的過(guò)程里，兩種器件的傳導損耗相差不大，IGBT相對稍差一些，但絕對值仍然不是很大。但“關(guān)”的能量損耗要高得多（少數載流子，在關(guān)閉時(shí)必須從組件的 n漂移區提取，但在集電極電壓升高時(shí)存在，因此會(huì )產(chǎn)生瞬態(tài)功率損耗）。
▲IGBT 和SiC MOSFET 在 16 kHz 下的動(dòng)態(tài)損耗比較（On Semi）在 95°C 外殼溫度和 16kHz 頻率下提供 500V/25A 輸入和 800V DC 輸出的PV 升壓轉換器中，在使用 SiC 半導體時(shí)，整體功耗顯著(zhù)降低，總損耗約為 IGBT 電路的三分之一，此外，在較低的結溫下，可靠性更高。
▲同邊界溫度下，SiC基MOSFET元件損耗顯著(zhù)降低以混合動(dòng)力汽車(chē)為例，IGBT模塊規格一般為600V~1200V/200A~800A，其自身發(fā)熱量較大，而且其與電機、引擎等都在汽車(chē)前車(chē)倉內，空間密閉，熱量集中，如果溫度超過(guò)IGBT的結溫125℃，則導致模塊過(guò)熱燒毀。因此散熱一直是IGBT設計中的重中之重，特別是在高頻動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)的管理過(guò)程中至關(guān)重要。SiC直接從發(fā)熱源頭降低溫度，一方面可以減少熱管理上復雜的布局與壓力，另一方面也可以實(shí)現搭載更加高頻緊湊的控制器，實(shí)現功能提升。
所以，從這個(gè)思路來(lái)講，除了節能之外，SiC 更高的效率還可以實(shí)現更小、更便宜的散熱器布置，相同散熱器的溫升更低，或者相同的散熱器和溫升具有更高的功率吞吐量。如表所示40 kHz 的 SiC MOSFET 與 16 kHz 的 IGBT 進(jìn)行比較，其溫升幾乎相同，但功耗仍下降了40%。盡管系統尺寸更小，但效率提高了 50% 以上。此外，增加頻率也可以使升壓電感減小大約三倍。這節省了成本、尺寸和重量。
▲溫升相同的情況下說(shuō)明即便在原有溫控策略下，SiC也具有非?？捎^(guān)的節能效果在低電流區域，MOSFET 的通態(tài)電壓低于 IGBT。然而，在大電流區域，IGBT 的導通電壓低于 MOSFET，尤其是在高溫下。因為它們比單極 MOSFET 具有更高的開(kāi)關(guān)損耗，IGBT 通常在低于 20 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下使用，根據這個(gè)特性也不排除混合控制器的應用，針對性布置控制策略以實(shí)現最優(yōu)的效率，并實(shí)現成本工藝的最優(yōu)利用。
▲不同區域Si IGBT 與SiC MOSFET各有優(yōu)勢損耗并不是 IGBT 和 SiC MOSFET 之間的唯一區別。與IGBT不同，MOSFET 中集成了體二極管。這在開(kāi)關(guān)以反向模式或在第三象限運行的電源轉換器中可能是一個(gè)優(yōu)勢。在 IGBT 的情況下，在這種情況下將需要一個(gè)額外的并聯(lián)二極管封裝在模塊中。
此外，由于 SiC MOSFET 的導通電阻隨著(zhù)新一代器件的引入而降低，因此在越來(lái)越多的應用中，其優(yōu)勢在高功率應用中被無(wú)限放大，這也是高壓電氣化以及復雜整車(chē)控制電路亟需的。
▲不同晶體管的主要結構以及參數特征不過(guò)，SiC 需要精心設計才能充分利用，而并不是簡(jiǎn)單的更換材料。例如IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅動(dòng)看似相似，但 SiC 的驅動(dòng)對于低傳導損耗更為關(guān)鍵，例如在設計過(guò)程中，需要盡可能接近 25V 的絕對最大值，開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常使用 20V 的電壓，留出一定的安全余量等等。此外，最終的技術(shù)門(mén)檻就是封裝工藝以及熱管理結構設計，這直接將不同企業(yè)的應用水平區別開(kāi)來(lái)。

博格華納技術(shù)：雙面水冷+先進(jìn)封裝工藝博格華納(德?tīng)柛？萍?是業(yè)內首家批量生產(chǎn) 800 V 碳化硅 (SiC) 逆變器的公司，該逆變器是高效的下一代電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，可以顯著(zhù)延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē) (EV) 的續航里程并將充電時(shí)間減半。究其原因，就是憑借在 800 V下運行的新型SiC 逆變器。汽車(chē)工程師現在可以更靈活地優(yōu)化其他動(dòng)力系統：更大范圍或更小的電池；超快速充電或更小、更輕、更便宜的線(xiàn)束；制動(dòng)時(shí)更多地收集車(chē)輛動(dòng)能，進(jìn)一步擴大車(chē)輛行駛里程。
▲博格華納逆變器
▲Viper技術(shù)概念—先進(jìn)的封裝工藝新的封裝結構被命名為Viper，核心是將多個(gè)開(kāi)關(guān)集成到統一外殼中，并集中熱管理。雙面冷卻是一大特色專(zhuān)利技術(shù)，可直接降低功率模塊的熱量，并在更緊湊的設計中提供更好的可靠性。Viper改進(jìn)的可靠性和緊湊的尺寸也使逆變器可以集成到其他組件中，甚至可以直接安裝在電動(dòng)機或變速器上，同時(shí)又小到可以與其他電力電子設備一起包裝。而且，Viper獨特的半導體芯片尺寸和散熱器材料使逆變器能夠快速擴展并適應不同的功率水平。因此，它可以用于完整和插入式混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)車(chē)所需的多個(gè)電壓和電流水平。
▲雙面冷卻概念新的碳化硅 Viper 電源開(kāi)關(guān)與當前的硅開(kāi)關(guān)安裝在相同的逆變器封裝中，并簡(jiǎn)化了多種車(chē)輛性能選項的設計。集成的DC/DC 轉換器和逆變器為 OEM 節省了大量成本。而這款逆變器的核心技術(shù)創(chuàng )新是其獲得專(zhuān)利的 Viper 電源開(kāi)關(guān)，它同樣將SiC與高集成度和獨特的雙面冷卻結合起來(lái)，利用兩者優(yōu)勢強強聯(lián)合大幅降低發(fā)熱，冷卻水溫可以控制在65℃左右，實(shí)現高頻高功率的應用。
▲博格華納SiC ViperViper的工藝要求更高，能否達到一定的良品率是企業(yè)生產(chǎn)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題?？偟膩?lái)看，單面到雙面的轉化，最直接的是解決散熱的問(wèn)題，從而可以?xún)?yōu)化體積，設計方法等衍生問(wèn)題，最終影響整體架構的效率和緊湊性。目前來(lái)看單單由這一技術(shù)的改善就可以?xún)?yōu)化高達一半的體積。
▲Viper雙面冷卻設計以及緊湊的封裝工藝在體積，重量，效率等多方面全面優(yōu)化從車(chē)企客戶(hù)都生產(chǎn)設計端來(lái)看，好都零部件給了工程師更多都想象空間以及工廠(chǎng)更多的生產(chǎn)空間。該技術(shù)同時(shí)減少每個(gè)開(kāi)關(guān)所需的碳化硅數量，從而大幅度降低成本。Viper 的設計可將功率損耗降低多達 70%，同時(shí)提高功率密度 ，這不僅對單一車(chē)型有效，要知道最終都駕駛體驗具體取決于駕駛循環(huán)。也就是說(shuō)，好不好客戶(hù)說(shuō)來(lái)算，但是制造商在設計動(dòng)力系統時(shí)可以利用這些提高的效率來(lái)提高車(chē)輛續航里程、提高整體性能或降低電池成本，從而這種靈活性使得更多都選項可以為消費者進(jìn)行獨特匹配，或者提供不同都車(chē)型—包括權衡電池尺寸、成本和車(chē)輛續航里程的能力；以多個(gè)價(jià)格搭配更多變的營(yíng)銷(xiāo)方式。用于電動(dòng)汽車(chē)的 800 V SiC 逆變器可以擴展并適應更低以及更高電壓的系統，為制造商提供PHEV 和 BEV 所需的多個(gè)電壓和電流水平,覆蓋未來(lái)多個(gè)動(dòng)力系統技術(shù)路線(xiàn)。
800v只是一個(gè)數字，而不是終點(diǎn)800v電氣系統絕對不會(huì )是高壓電氣技術(shù)的終點(diǎn)，900-1200V的技術(shù)已經(jīng)在路上了，更多的創(chuàng )新技術(shù)會(huì )不斷構建新的電氣社會(huì )。但不可否認的是，從現在開(kāi)始，發(fā)電到用電全電氣化生態(tài)的重要開(kāi)關(guān)已經(jīng)被打開(kāi)了。