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碳化硅（SIC）器件在新能源汽车中大、小三电系统中的应用；首发2023-10-16 08:16·爱在七夕时一. 新能源汽车的核心是三电系统：电池、电机、电控电驱动系统中还可以分为“大三电”和“小三电”。?大三电包括：驱动电机、电控、变速器；小三电包括：高压配电盒PDU、车载充电机OBC和DC/DC变换器，扮演交直流能量转换和传输重要功能。大三电包含三大总成部件：驱动电机总成控制器总成传动总成驱动电机的主要功能是为新能源汽车提供动力，将动力电池的电能转化为机械能，主要构成包括定子、转子、壳体、结构件；电机控制器的主要功能是将来自动力电池的直流电转换成交流电，根据整车控制指令来控制驱动电机的运转，主要构成包括功率半导体、控制软件和传感器；减速器也被称为传动系统，主要功能用来降低输出转速，提高输出扭矩。小三电包含三个总成：DC/DC变换器车载充电机OBC（On-Board Charger）高压配电盒PDU（Power Distribution Unit）车载充电机的主要功能是为新能源汽车动力电池进行充电，主要构成包括 PFC 电路、隔离 DC/DC 和低压辅助电源；车载 DC-DC 转换器的主要功能是将新能源汽车动力电池组的高压直流电转换为低压直流电，主要构成包括主控板、功率器件和电感；高压配电单元的主要功能是负责新能源车高压系统解决方案中的电源分配与管理，主要构成包括铜排、继电器、熔断器、预充电阻、电流采集器等。二. 电驱动系统集成化是未来确定性的趋势随着电驱动产物集成化的进一步提升，除电机、电机控制器、减速器之外，高压分线盒、DC/DC、充电机OBC等零部件也可能集成进去，形成功能更全的多合一动力总成系统。华为-BYD等厂商都已经发布了N合一的大集成系统。三. SiC的应用极大的提升电机控制器性能电机控制器功率模块主要采用 IGBT、Si-MOSFET、SiC-MOSFET 三种功率芯片。1、Si IGBT：中大功率、低开关频率主要应用于EV逆变器、PTC、E-comp；2、Si MOS：中低电压主要应用于：DC/DC整流侧；3、SiC MOS：高电压 (>600V)、高频率(20—200KHz)主要应用于：EV逆变器、HV DC/DC、OBC、E-comp等。在新能源汽车电机控制器当中，电力转换是通过控制功率器件的开关来实现的。IGBT 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的新能源汽车领域，凭借性能和成本优势成为目前最主流的装机功率芯片。但IGBT受材料本身的局限，较难工作在200℃以上。高功率密度的电机控制器需要高效的电力转换效率和更高的工作温度，这对功率器件也提出了更高的要求，如：更低的导通损耗、耐高温、高导热能力等。基于碳化硅（SiC）单晶材料的功率器件，具有高频率、高效率、小体积等优点（比IGBT功率器件小70%-80%），在特斯拉 Model 3 车型中得到了最早了应用。碳化硅（SiC）半导体控制器能使新能源汽车实现更长的续航里程、更短的充电时间、更高的电池电压。与二代硅基IGBT相比，半导体碳化硅（SiC）750V时能效增加8-12%，总损耗减少约1/7，模块体积仅为IGBT的1/5左右，开关频率为IGBT的5-10倍。SiC-MOSFET 具有高开关频率、高效率、高功率密度等优点，但目前成本较高，主要用于中高端 B 级、C 级车，包括特斯拉 Model Y、Model 3、蔚来 ET7、比亚迪唐 EV、比亚迪汉等。四、碳化硅功率器件在新能源汽车领域的应用目前，车规级SiC功率器件主要应用于主驱逆变器、OBC、充电桩等场景。在主驱逆变器、OBC、DC-DC以及直流充电桩模块中，SiC MOSFET有望对Si IGBT加速替代。1、电机驱动系统碳化硅应用为主驱逆变器带来了更高的逆变器效率、更小的系统尺寸、更低的系统成本和更长的行驶里程。根据Infineon与Daimler在2018年的测试数据，在相同的行驶条件和行驶里程情况下：在配备了1200V SiC MOSFET的400V系统中，逆变器的能耗降低了63%，从而在WLTP工况条件下节能6.9%；在配备了1200V SiC MOSFET的800V系统中，逆变器能耗降低69%，整车能耗降低7.6%。碳化硅对车辆能耗的降低仍被低估，因为没有考虑电池系统重量减轻的影响。在系统成本方面，尽管SiC MOSFET逆变器是等效Si IGBT价格的2-3倍，然而，由于使用SiC后整车功耗降低，车辆系统效率提高，因此需要更少的电池容量。电池节省的成本超过了碳化硅逆变器增加的成本，采用800V高压SiC平台的系统成本比400V Si IGBT平台节省高达6%。2、充电系统车载充电机（OBC）是将交流充电桩输出的交流电转换为直流电输送到动力电池包中，典型电路结构由前级PFC电路和后级DC/DC输出电路两部分组成，充电功率范围从3.3kW至22KW，可支持双向流动。DC-DC转换器可以将电池中的800V（400V）高压转换为12V低压，输送至低压系统中，功率约为3KW。应用碳化硅获得更快的开关频率FSW、更高的效率、双向操作、更小的无源元件、更小的系统尺寸和更低的系统成本。OBC二极管和开关管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要应用的功率器件。采用SiC替代可实现更低损耗、更小体积及更低的系统成本。资料来源：浙江大学-电气工程学院（王正仕博士）据研究，采用全SiC MOSFET方案的22kW双向OBC，可较Si方案实现功率器件和栅极驱动数量都减少30%以上，且开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率，而Si OBC仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率。同时，进一步拆分成本，由于SiC器件的性能可减少DC/DC模块中所需大量的栅极驱动和磁性元件。因此，尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，SiC基功率器件的成本更高，但整体全SiC方案的OBC成本可节约15%左右。3、电池管理系统碳化硅功率器件可以用于电池管理系统中，可以提高电池的充电和放电效率，从而延长电池寿命。4、辅助电源系统碳化硅功率器件可以用于辅助电源系统中，可以提高辅助电源的效率和性能，从而提高电动汽车的性能和可靠性。随着新能源汽车加速发展，车企对轻量化、降成本和优化空间布局等性能指标要求越来越高，电驱动系统需要在功率密度、重量、体积、输出效率以及安全可靠性等方面严格要求。为配合新能源汽车的发展趋势，大@小三电系统正朝着高压化、集成化、多功能化和大功率方向发展，以开拓新功能和满足用户更多需求，而这其中的创新离不开前沿材料的应用以及电力电子、电源系统的正向开发能力。总之，碳化硅功率器件在新能源汽车领域中的应用前景广阔。随着碳化硅功率器件技术的不断发展和应用，它将成为新能源汽车领域中的重要支撑技术，为电动汽车的发展和普及提供了强有力的支持。
2025年01月07日，首发2024-07-02 16:07·青史难废
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