聊聊SiC在电动汽车上的应用

上期EV焦点栏目 我们聊了聊电动汽车为什么要上800V，也大致了解了SiC和800V互相成就的关系。今天这期，我们相对放大一下，聊聊SiC在电动汽车上的应用。

在汽车电动化的驱动下，电力电子器件可谓是量价齐升。而电力电子器件的发展经历了以晶闸管为核心的第一阶段、以MOSFET和IGBT为代表的第二阶段，现在正在进入以宽禁带半导体器件为核心的新发展阶段。

而新一代电力电子器件也同时在推动MOSFET和IGBT的发展，这也带动SiC和GaN等宽禁带半导体的日益普及。

电动汽车则成为了碳化硅的核心应用场景。因此，这期「EV焦点」栏目，我们将再次以电动汽车为焦点，逐步和大家聊聊SiC在电动汽车中的应用趋势。

我们先通过电动汽车内部电能的流动，了解一下新能源汽车电动化的框架。

「新能源汽车电动化的框架」

首先我们要先知道给动力电池充电的两种方式。

一种是通过 “快充”口，利用外来的“直流充电桩”直接给动力电池充电；另一种是将电网的交流供给车辆内部的车载充电机（OBC），OBC转换为直流电。两者对于动力电池pack而言是进入同一个接口，只是充电电流大小不同。

电动汽车电能应用分两个方向，一个用于汽车驱动，另一个则用于车身/辅助系统

在驱动端，电能依次流经外部充电设备、车载充电机OBC（当然，只有如上面说的那样，输入为交流电流时使用）、接着到电池、逆变器、电机电控、减速箱、车轮，同时通过电池管理系统进行能量管理；

在车身及辅助系统端，电能从电池处流出，经过DC-DC转换器、低压电池、辅助系统。

「SiC在EV中的应用发展」

那么，SiC在其中又呈现怎样的发展格局？

SiC器件要比Si器件有着更低的导通损耗、更高的工作频率和更高的工作电压等等这些优势这边就不再赘述了。

考虑到未来电动车需要更长的行驶里程、更短的充电时间和更高的电池容量，在车用半导体中，SiC将会是未来趋势，SiC 器件在 EV/HEV 上的应用主要包括电机驱动系统逆变器、电源转换系统（车载DC/DC）、电动汽车车载充电系统（OBC）及非车载充电桩等方面。

电驱动系统作为新能源汽车的“心脏”，直接影响到整车的能源效率、续航里程等。对新能源汽车整车使用性能具有较大影响。

电驱动系统包括“大三电”即驱动电机、驱动电机控制器、变速器和“小三电”即压配电盒PDU、车载充电机OBC 和DC/DC 变换器。

在当前集成化趋势下，电机+减速器+逆变器集成的“三合一”电驱动模块将成为市场主流。电驱动集成系统将加速SiC器件在电动汽车中的量产落地。

尽管碳化硅器件成本较高，但它推进了电池成本的下降和续航里程的提升，降低了单车成本，无疑是新能源汽车最佳选择。其中，SiC SBD、SiC MOSFET 器件主要应用于OBC 与DC/DC，SiC MOSFET主要用于电驱动。

▍主逆变器

主逆变器也就是牵引逆变器，它的作用就是将来自电池的电能（直流电）进行转换以驱动电动引擎（交流电）。因此，逆变器的性能及对应体积、重量将直接影响车的续航范围和可靠性

目前，电动车中的主驱逆变器仍以硅基MOSFET和硅基IGBT为主，但随着新能源汽车向高集成度、小尺寸、低损耗的系统发展，SiC 器件将加速渗透。

比亚迪、特斯拉等部分车型已经使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。

特斯拉处在碳化硅器件应用的前列，其Model 3车型的驱动电机部分搭载了24个650V/100A的SiC MOSFET模块，车身比Model S减轻了20%。

比亚迪推出的“汉”EV 高性能四驱版本也配备了SiC MOSFET 功率控制模块，是中国首个采用相关技术的车型。

蔚来在2021 年发布的纯电轿车中，也将会采用SiC 模块作为电驱动平台。

相比硅基器件，引入碳化硅后，逆变器输出功率可增至2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度为原有3.6 倍。

**▍**车载充电机(OBC)

车载充电机(OBC)为电动汽车(EV)的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电的关键功能，并决定了充电功率和效率的关键部件。通过使用车载充电器可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行充电。

此外，双向逆变技术是未来OBC标配的功能之一，使OBC不仅可将AC转化为DC为电池充电，同时也可将电池的DC转化为AC对外进行功率输出；将OBC及DC/DC等器件进行功能集成化将会提高成本上、体积上的优势。

SiC二极管及MOSFET器件则可用于车载充电机PFC和DC-DC次级整流环节，推动车载充电机向双向充放电、集成化、智能化、小型化、轻量化、高效率化等方向发展

以22kW双向OBC为例，SiC系统成本与Si相比，减少了15%；同时能量密度是Si系统的1.5 倍，通过减少能耗每年可减少单位成本40美元左右。

**▍**DC/DC转换器

电源转换系统DC/DC 是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，实现车内高压电池和低压电瓶之间的功率转换，主要给车内低压用电器供电，如动力转向、水泵、车灯等。随着整车智能化、电气化的发展，对DCDC的供电功率及安全性提出了更高的要求。

DC/DC 转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC 转换器以及升降压型DC/DC 转换器，车载DC/DC 转换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电。

值得一提的是，基于碳化硅研制的功率器件，为氢能汽车燃料电池 DC/DC 变换器带来革命性的创新。

 

此外，800v高压平台有望为OBC/DCDC带来新增量。为满足800v高电压平台在体积、轻量、耐压、耐高温等方面带来的更为严苛的要求：

首先，OBC/DCDC等功率器件集成化趋势明显；

其次，高压平台使车载充电机升级需求增加，为高压OBC提供增量；

再者，为能够适配使用原有400v直流快充桩，搭载800v电压平台新车须配有额外DCDC转换器进行升压，进一步增加对DCDC的需求。

日前，罗姆官微公布其SiC MOSFET应用于美国豪华电动汽车制造商Lucid Motors高端纯电动汽车“Lucid Air”充电控制主板“Wunderbox”。

Wunderbox由DC/DC转换器和车载充电器（OBC）组成，分别采用了罗姆的高性能SiC MOSFET“SCT3040K”和“SCT3080K”。利用SiC MOSFET优异的高频和耐高温性能，Lucid公司实现了系统的小型化和更低的损耗，从而实现了更快的充电速度。

 

相比传统基于 IGBT 模块变换器产品，SiC 基功率器件开关频率提升4 倍以上、功率密度提升3 倍以上，系统平均效率大于97%，最高效率可达99%。

「结语」

诚然，在新能源汽车上，硅基功率器件具备成本优势，也仍将占据一定市场份额，并与宽禁带半导体器件长期并存。未来，硅基IGBT模块及SiC模块也将成为新能源汽车半导体中的主要应用形式。相对于硅基器件，SiC功率半导体在高工艺、高性能与成本间的平衡，将成为SiC功率器件真正大规模落地的关键核心点。

 

根据Yole数据，2021-2027年，全球SiC功率器件市场规模将由10.9亿美元增长到62.97亿美元，CAGR为34%；其中电动车用SiC市场规模将由6.85亿美元增长到49.86亿美元，CAGR为39.2%，而电动车（逆变器+OBC+DC/DC转换器）是SiC最大的下游应用，占比由62.8%增长到79.2%，市场份额持续提升。

碳化硅材料性能上限高，与新能源车高度适配；而新能源汽车市场日益火爆，需求释放推动碳化硅市场快速增长。在国产替代的需求和政策刺激下，我们也期待国内的SiC企业能够承担起满足市场需求的重任，迎接SiC“上车”时代的到来。

审核编辑：刘清