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新能源汽车快速发展,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)成市场新热点
〖 2020-08-04 | 点击   
       电动化浪潮之下,全球新能源汽车市场快速发展。而各类新材料及新型功率器件的出现,更是推动了汽车行业的电动化进程。包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在内的新型半导体材料在汽车行业的应用,正突破传统材料的限制,赋予新能源汽车技术更多潜能。

SiC和GaN的市场需求

    在新能源汽车上,传统功率器件通常采用IGBT技术方案,但近年来随着材料科技的发展,碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术正成为技术热点。目前,SiC已实现了车规级应用,GaN尚处于研发阶段。

     理论上,SiC主要应用于大于600V的高压系统,如纯电动汽车的驱动电机逆变器。而GaN则是功率转换系统的理想解决方案,尤其适用于车载充电机或48V 直流转换器。也就是说,SiC是600V以上高压应用系统的最佳解决方案,GaN是600V以下的应用系统的理想选择

        从目前来看,SiC和GaN尚未完全取代IGBT,因为这几种材料都有各自的技术优势。其中SiC凭借其在性能以及降低整车成本等方面的诸多优势,正越来越受到新能源汽车市场的青睐,特别是牵引逆变器中的应用越来越广,并且该趋势在未来几年会变得更加明显。

      谈到这些新兴技术,深圳市炫芯微电子有限公司表示:“以已经市场化的SiC为例,该技术最初应用于高端车型,但随着成本的下降,如今已推广至中级车市场。相关数据显示,2020年约有40%以上的纯电动汽车采用SiC技术,而到2025年,SiC的普及率将提高至70%。”

         GaN作为SiC之后,另一项发展中的新技术,虽然目前尚无车规级应用,但其前景已经被行业所看到。根据第三方预测数据,SiC和GaN在汽车行业的年复合增长率(2018-2025年)可分别达到52%和200%

SiC和GaN的市场应用前景

SiC的技术性能优势

SiC和GaN市场快速增长的背后,是其技术优势。以SiC为例,可有效提高能效,并使得系统结构更为紧凑,冷却设计也更为简化;此外还有助于缩短充电时间、增加续航里程。

        如果比较一下传统的硅基器件和SiC技术,前者的最大工作温度为175度,而后者可以达到200度以上。SiC的这一技术特性使得器件能够耐受非常恶劣的工作环境,并且耗散功率更低。

         值得一提的是,SiC技术如果应用于充电领域,还能提高充电速度。泰科天润正在开发最高40kW的充电板解决方案,充电站可以将多个电源板组装在一起,使充电桩输出功率达到200kW以上,这样车辆完全充满电只需要不到一小时。未来如果输出功率达350kW,则一辆功率为90kW的电动车充满电的时间有望缩短至几十分钟。

        直流快速充电是发展趋势。电网很难在短时间内传输大量电能,我们需要一个类似于车载动力电池组的储能电池组,用于存储在几分钟内为汽车充电所需的电能。当充电站处于空闲模式时,电网给储能电池充电,也可以把太阳能发电系统接入整个充电系统,给储能电池充电。

      方案中,需要用到大量电子产品和技术,而所有这些新趋势和新应用,都将在未来几年内推动半导体行业的增长。

ST应用于新能源汽车的3个电源模块

SiC的综合成本优势

     当然,任何一项新技术的推出,在市场化应用的初期,成本是绕不开的话题,SiC也如此。对此,Luca表示,SiC解决方案的成本确实比IGBT高。从之前的统计数据来看,车用SiC解决方案的成本比IGBT高出约300美元。然而,随着市场规模的日渐扩大,以及SiC技术的不断改进,目前两者间的成本差距正在收窄

    在考虑成本的时候,除了器件本身的成本,还要考虑因为性能提高而带来的车辆总成本的下降。具体来说,采用SiC技术后,开关频率可以设计得更高,从而能提高器件能效,减小无源器件的尺寸,并缩减模块的整体规格。此外,SiC解决方案所带来的高能效也可以降低动力电池冷却系统的尺寸。以上这些,在电动车总成本中有很高的占比。

SiC技术优势及成本表现

“综合下来,与传统硅基解决方案相比,SiC解决方案可使整车半导体成本节省近2000美元。显然,这是SiC给汽车制造商带来的实实在在的成本效益。

作为中国第一家量产的车规级SiC供应商,泰科天润在SiC研发和生产上已经进行大量投入,目前已拥有多项专利。

     显然,对于快速发展的新能源汽车市场,泰科天润早已全面布局,尤其在中国成立了新能源汽车技术创新中心,加大本土化开发和投入。未来还将持续研发,致力于推动出行革命和电动汽车的高速发展。

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