博格華納為何鐘情碳化硅，未來得碳化硅者得天下？

來源：汽車與運(yùn)動AutoSports 

電動汽車發(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？
一直以來圍繞電動汽車的最大痛點(diǎn)，其實是人們內(nèi)心中對于電本身的焦慮和無奈。為什么痛苦？車企都在圍繞這個核心又迷茫的話題不斷進(jìn)行探索。換電，大電池，高密度三元鋰，這些技術(shù)并不是實行的困難有多大，也不是效果有多不好，但是落地之后總覺著差點(diǎn)什么。人們還是會擔(dān)心，還是會焦慮，從而放棄購買雖然看起來已經(jīng)很好的電動汽車。說不出來到底是什么痛，甚至不知道是否是痛，但就是哪里都不舒服。這就是電動車“百步之行，九十為半”的最后一哆嗦。
現(xiàn)在可以回答了：補(bǔ)上這一哆嗦的，就是高壓電氣技術(shù)。從光伏能源，未來電站，傳輸網(wǎng)絡(luò)，到用戶端充電系統(tǒng)，電動汽車控制系統(tǒng)，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月保時捷Taycan Turbo S全球首發(fā)，帶來了實際第一款真正意義的800V高壓電氣平臺。兩年后，800V平臺基本在主流車企的新一代平臺中均有提及。相比于400V，800V 帶來了更高的功效，更快的充電時間。充電時間在800V的加持下大幅提升功率，實現(xiàn)15分鐘快充補(bǔ)能。
一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變在于，汽車以及其搭載的電池開始并不僅僅以續(xù)航里程來判斷優(yōu)劣，一個新的參數(shù)，“每分鐘充電所行駛的里程數(shù)”，成為解決用戶痛點(diǎn)的新關(guān)鍵。這說明，電動汽車市場絕不能僅僅考慮電池的大小，整車架構(gòu)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(zhàn)略高度，才有可能徹底解決純電汽車所謂痛點(diǎn)“不痛不癢”的尷尬局面。
那么，要想未來電動汽車如果可以達(dá)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?shù)膿p耗，同時大幅縮短的傳輸時間，實現(xiàn)真正意義上的超級快充。對于汽車本身電子架構(gòu)來講，基于整車熱管理的壓力會更小，電子響應(yīng)更快，相當(dāng)于給純電汽車全身打通“任督二脈”。從電的來源看，光伏+儲能的高壓化引領(lǐng)都不僅僅是車這一領(lǐng)域，而是真正的人類能源革命。
而構(gòu)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（金氧半場效晶體管）會引領(lǐng)這一波高壓技術(shù)革命。
▲電動汽車的關(guān)鍵因素：1分鐘充電可以行駛多遠(yuǎn)？
全生態(tài)電氣系統(tǒng)：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(gòu)想中。當(dāng)我們討論新一代電氣化車型時，無論是純電汽車還是插電混動，汽車成為電氣生態(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(zhuǎn)變給各個頂級的巨型科技公司帶來了巨大的想象空間。
▲覆蓋多個生產(chǎn)生活應(yīng)用場景的電氣化生態(tài)電動汽車最關(guān)鍵部件之一是逆變器。除了電機(jī)和電池之外，它是電氣化最大的標(biāo)簽產(chǎn)品之一。該重要裝置將來自電池組的直流電（DC）轉(zhuǎn)換成交流電（AC），為車輛提供動力。一般所需的逆變器數(shù)量取決于車輛上使用的電動機(jī)的數(shù)量（ 通常每個電動機(jī)一個），高度智能化的架構(gòu)不排除各種更多的逆變器。此外，圍繞整車電氣架構(gòu)，大量的關(guān)鍵電源為各個系統(tǒng)所服務(wù)，不同系統(tǒng)的供應(yīng)商在不同生產(chǎn)開發(fā)流程中積極布局。
▲車用關(guān)鍵電源零部件
▲車用SiC模組布局企業(yè)▲汽車，成為消費(fèi)端高壓技術(shù)的最大應(yīng)用場景，引領(lǐng)技術(shù)變革從2018年特斯拉首次開始大批量引入SiC開始，這種“高端技術(shù)”逐漸成為各大車企平臺的“標(biāo)配”。比亞迪唐，奧迪等，會逐漸在2023-2024年會爆發(fā)性上市。奧迪第一款800V SiC SOP將會搭載在PPE平臺。奔馳的MMA平臺會在2024-2025年跟進(jìn)，此外，volvo也在量產(chǎn)800V進(jìn)程中?？梢灶A(yù)見800V將會是未來主力競爭車型的標(biāo)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(guī)模的電轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施，可以說未來必須作為電動汽車的一部分來考慮整個生命周期的能效和運(yùn)作方式。各種規(guī)模的發(fā)電終端與高壓電動汽車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(yīng)較低的電流來降低連接器和布線中的功率損耗。模塊的典型標(biāo)稱電壓在 500 到 1000 V 左右，會越來越頻繁地達(dá)到 1500 V。每個組串通常都有自己的相對低功率的逆變器，而不是單個中央逆變器，從而確?？蓴U(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性和容錯性。此時DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器中使用的半導(dǎo)體元件并不比整車中所帶來的影響小，從而如果我們從一個整體的觀念來看，好像這種開關(guān)串聯(lián)起了整個電力動力，從太陽到我們能夠駕駛、使用、娛樂的各種整車設(shè)施，是電池外最重要的“經(jīng)絡(luò)”。
▲從2018年特斯拉首次開始大批量引入SiC開始，這項技術(shù)革命將逐漸從汽車快速滲透到整個電力交通出行生態(tài)
碳化硅SiC, 毫無疑問的趨勢全球不同供應(yīng)商/開發(fā)者對于未來電壓以及標(biāo)準(zhǔn)的最終解決方案都會有側(cè)重自己產(chǎn)品的展望，有趣的是，無論從那個角度，高頻高壓的盡頭是SiC。也就是說， 無論從哪個方面來看，現(xiàn)有最好的解決方案就是SiC模塊。這取決于未來開關(guān)的應(yīng)用方式，更高的頻率以及更高的電壓，即便SiC的傳導(dǎo)功耗實際上要比IGBT高（后文會詳細(xì)對比），但也無法阻擋應(yīng)用端的爆發(fā)驅(qū)使歷史終究會選擇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市場預(yù)測報告中可以看出，SiC顯然成為技術(shù)與市場的雙重共識，比例不斷提升，復(fù)合年均增長率超過25%。
▲SiC市場的爆發(fā)增長以及各個增長領(lǐng)域預(yù)測

IGBT與SiC模組的優(yōu)與劣IGBT無疑是當(dāng)今汽車核心技術(shù)的關(guān)鍵。與SiC MOSFET相比，兩者在幾個方面存在顯著差異：IGBT由于其動態(tài)損耗而被限制在低頻范圍內(nèi)，但在導(dǎo)通時會發(fā)出恒定的飽和電壓，從而導(dǎo)致與電流成正比的功耗。SiC MOSFET 可以在數(shù)百 kHz 的頻率下以低動態(tài)損耗進(jìn)行開關(guān)，但在導(dǎo)通時表現(xiàn)出恒定的電阻。這導(dǎo)致功耗與電流的平方成正比。隨著功率吞吐量的增加，SiC MOSFET的功耗會顯著上升，這也是其一個明顯的缺點(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(dǎo)損耗成正比。最佳效率的轉(zhuǎn)換點(diǎn)約為 25A（125℃）。也就是說對于25A，甚至30A以下的傳導(dǎo)損耗，SiC MOSFET的損耗缺點(diǎn)可以完美避開，從另一個角度上看，高壓（低電流）是SiC完美的搭檔。
▲IGBT PIM 和 SiC MOSFET PIM 在 125 °C 時的壓降當(dāng)對比動態(tài)開關(guān)操作時，SiC MOSFET 的優(yōu)勢就凸顯出來了。動態(tài)損耗與頻率直接相關(guān)。也就是說一開一關(guān)同樣會帶來損耗。例如前文中 IGBT 和 SiC MOSFET 在 20 至 30 A 范圍內(nèi)以相同低頻（例如 16 kHz）開關(guān)時，傳導(dǎo)損耗相似，但動態(tài)損耗卻大不相同。在“開”的過程里，兩種器件的傳導(dǎo)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(shù)載流子，在關(guān)閉時必須從組件的 n漂移區(qū)提取，但在集電極電壓升高時存在，因此會產(chǎn)生瞬態(tài)功率損耗）。
▲IGBT 和SiC MOSFET 在 16 kHz 下的動態(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(zhuǎn)換器中，在使用 SiC 半導(dǎo)體時，整體功耗顯著降低，總損耗約為 IGBT 電路的三分之一，此外，在較低的結(jié)溫下，可靠性更高。
▲同邊界溫度下，SiC基MOSFET元件損耗顯著降低以混合動力汽車為例，IGBT模塊規(guī)格一般為600V~1200V/200A~800A，其自身發(fā)熱量較大，而且其與電機(jī)、引擎等都在汽車前車倉內(nèi)，空間密閉，熱量集中，如果溫度超過IGBT的結(jié)溫125℃，則導(dǎo)致模塊過熱燒毀。因此散熱一直是IGBT設(shè)計中的重中之重，特別是在高頻動態(tài)開關(guān)的管理過程中至關(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(fù)雜的布局與壓力，另一方面也可以實現(xiàn)搭載更加高頻緊湊的控制器，實現(xiàn)功能提升。
所以，從這個思路來講，除了節(jié)能之外，SiC 更高的效率還可以實現(xiàn)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(tǒng)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(jié)省了成本、尺寸和重量。
▲溫升相同的情況下說明即便在原有溫控策略下，SiC也具有非常可觀的節(jié)能效果在低電流區(qū)域，MOSFET 的通態(tài)電壓低于 IGBT。然而，在大電流區(qū)域，IGBT 的導(dǎo)通電壓低于 MOSFET，尤其是在高溫下。因為它們比單極 MOSFET 具有更高的開關(guān)損耗，IGBT 通常在低于 20 kHz 的開關(guān)頻率下使用，根據(jù)這個特性也不排除混合控制器的應(yīng)用，針對性布置控制策略以實現(xiàn)最優(yōu)的效率，并實現(xiàn)成本工藝的最優(yōu)利用。
▲不同區(qū)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(qū)別。與IGBT不同，MOSFET 中集成了體二極管。這在開關(guān)以反向模式或在第三象限運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換器中可能是一個優(yōu)勢。在 IGBT 的情況下，在這種情況下將需要一個額外的并聯(lián)二極管封裝在模塊中。
此外，由于 SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻隨著新一代器件的引入而降低，因此在越來越多的應(yīng)用中，其優(yōu)勢在高功率應(yīng)用中被無限放大，這也是高壓電氣化以及復(fù)雜整車控制電路亟需的。
▲不同晶體管的主要結(jié)構(gòu)以及參數(shù)特征不過，SiC 需要精心設(shè)計才能充分利用，而并不是簡單的更換材料。例如IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動看似相似，但 SiC 的驅(qū)動對于低傳導(dǎo)損耗更為關(guān)鍵，例如在設(shè)計過程中，需要盡可能接近 25V 的絕對最大值，開發(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)門檻就是封裝工藝以及熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計，這直接將不同企業(yè)的應(yīng)用水平區(qū)別開來。

博格華納技術(shù)：雙面水冷+先進(jìn)封裝工藝博格華納(德爾?？萍?是業(yè)內(nèi)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和混合動力汽車的關(guān)鍵部件之一，可以顯著延長電動汽車 (EV) 的續(xù)航里程并將充電時間減半。究其原因，就是憑借在 800 V下運(yùn)行的新型SiC 逆變器。汽車工程師現(xiàn)在可以更靈活地優(yōu)化其他動力系統(tǒng)：更大范圍或更小的電池；超快速充電或更小、更輕、更便宜的線束；制動時更多地收集車輛動能，進(jìn)一步擴(kuò)大車輛行駛里程。
▲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(jié)構(gòu)被命名為Viper，核心是將多個開關(guān)集成到統(tǒng)一外殼中，并集中熱管理。雙面冷卻是一大特色專利技術(shù)，可直接降低功率模塊的熱量，并在更緊湊的設(shè)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機(jī)或變速器上，同時又小到可以與其他電力電子設(shè)備一起包裝。而且，Viper獨(dú)特的半導(dǎo)體芯片尺寸和散熱器材料使逆變器能夠快速擴(kuò)展并適應(yīng)不同的功率水平。因此，它可以用于完整和插入式混合動力車和電動車所需的多個電壓和電流水平。
▲雙面冷卻概念新的碳化硅 Viper 電源開關(guān)與當(dāng)前的硅開關(guān)安裝在相同的逆變器封裝中，并簡化了多種車輛性能選項的設(shè)計。集成的DC/DC 轉(zhuǎn)換器和逆變器為 OEM 節(jié)省了大量成本。而這款逆變器的核心技術(shù)創(chuàng)新是其獲得專利的 Viper 電源開關(guān)，它同樣將SiC與高集成度和獨(dú)特的雙面冷卻結(jié)合起來，利用兩者優(yōu)勢強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合大幅降低發(fā)熱，冷卻水溫可以控制在65℃左右，實現(xiàn)高頻高功率的應(yīng)用。
▲博格華納SiC ViperViper的工藝要求更高，能否達(dá)到一定的良品率是企業(yè)生產(chǎn)考慮的關(guān)鍵問題?？偟膩砜矗瑔蚊娴诫p面的轉(zhuǎn)化，最直接的是解決散熱的問題，從而可以優(yōu)化體積，設(shè)計方法等衍生問題，最終影響整體架構(gòu)的效率和緊湊性。目前來看單單由這一技術(shù)的改善就可以優(yōu)化高達(dá)一半的體積。
▲Viper雙面冷卻設(shè)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)化從車企客戶都生產(chǎn)設(shè)計端來看，好都零部件給了工程師更多都想象空間以及工廠更多的生產(chǎn)空間。該技術(shù)同時減少每個開關(guān)所需的碳化硅數(shù)量，從而大幅度降低成本。Viper 的設(shè)計可將功率損耗降低多達(dá) 70%，同時提高功率密度 ，這不僅對單一車型有效，要知道最終都駕駛體驗具體取決于駕駛循環(huán)。也就是說，好不好客戶說來算，但是制造商在設(shè)計動力系統(tǒng)時可以利用這些提高的效率來提高車輛續(xù)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(fèi)者進(jìn)行獨(dú)特匹配，或者提供不同都車型—包括權(quán)衡電池尺寸、成本和車輛續(xù)航里程的能力；以多個價格搭配更多變的營銷方式。用于電動汽車的 800 V SiC 逆變器可以擴(kuò)展并適應(yīng)更低以及更高電壓的系統(tǒng)，為制造商提供PHEV 和 BEV 所需的多個電壓和電流水平,覆蓋未來多個動力系統(tǒng)技術(shù)路線。
800v只是一個數(shù)字，而不是終點(diǎn)800v電氣系統(tǒng)絕對不會是高壓電氣技術(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)會不斷構(gòu)建新的電氣社會。但不可否認(rèn)的是，從現(xiàn)在開始，發(fā)電到用電全電氣化生態(tài)的重要開關(guān)已經(jīng)被打開了。