SiC在電動(dòng)汽車的功率轉(zhuǎn)換中扮演越來(lái)越重要的角色

1   中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)的需求特點(diǎn)

首先，中國(guó)的電動(dòng)化發(fā)展速度很快，中國(guó)企業(yè)的創(chuàng)新力旺盛，而且直接從傳統(tǒng)汽車向新能源汽車過(guò)渡，沒(méi)有美國(guó)或歐洲企業(yè)所面臨的復(fù)雜的“技術(shù)遺產(chǎn)”問(wèn)題。相比歐美，新興的中國(guó)車企更期待新能源汽車。在中國(guó)，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用非常廣泛，這就是為什么ST專注于與中國(guó)客戶合作開發(fā)電源管理系統(tǒng)。

ST汽車和分立器件產(chǎn)品部大眾市場(chǎng)業(yè)務(wù)拓展負(fù)責(zé)人公司戰(zhàn)略辦公室成員Giovanni Luca SARICA

2   SiC在成本上有優(yōu)勢(shì)嗎

SiC解決方案的成本是比IGBT方案多出一些，實(shí)際上，根據(jù)第三方獨(dú)立分析機(jī)構(gòu)的整車半導(dǎo)體成本測(cè)算，SiC解決方案比IGBT方案每輛整車成本多出300美元（2019年測(cè)算）。2020年，根據(jù)ST的預(yù)測(cè)，考慮到制造規(guī)模變大，SiC技術(shù)改進(jìn)，兩種方案之間的成本差距正在收窄。

與硅基器件相比，SiC的成本優(yōu)勢(shì)不在于器件本身成本，而是體現(xiàn)在車輛總體成本方面，為汽車制造商節(jié)省很多錢。因?yàn)楫?dāng)采用SiC時(shí)，開關(guān)頻率可以設(shè)計(jì)得更高，這將提高器件的能效，降低無(wú)源元件的尺寸/成本。因?yàn)闊o(wú)源器件在應(yīng)用系統(tǒng)總成本中占比很高；此外，當(dāng)采用較小的無(wú)源器件時(shí)，還可以縮減模塊的整體尺寸，并且可以進(jìn)一步降低整體成本。在節(jié)省成本方面，汽車制造商還可以獲得其他的重要的好處。例如，當(dāng)使用SiC解決方案獲得更高能效時(shí)，可以降低動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的尺寸，電池冷卻系統(tǒng)是導(dǎo)致總體成本增加的主要因素。最終，根據(jù)獨(dú)立分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，與傳統(tǒng)硅基解決方案相比，SiC解決方案可使整車半導(dǎo)體成本節(jié)省 2 000 美元。顯然，這是SiC給汽車制造商帶來(lái)的實(shí)實(shí)在在的成本效益。

同時(shí)，SiC有助于提高車輛的性能，延長(zhǎng)新能源汽車的續(xù)航里程，帶來(lái)更好的綜合用戶體驗(yàn)，并使車輛充電速度更快。

所有這些要素對(duì)于新能源汽車的市場(chǎng)普及極為重要，政府產(chǎn)業(yè)鼓勵(lì)政策固然重要，但是，真正的市場(chǎng)需求，越來(lái)越多的可選車型，更好的用戶體驗(yàn)，以及產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，才是引爆電動(dòng)汽車市場(chǎng)的關(guān)鍵。

我們看到SiC在新能源汽車市場(chǎng)的應(yīng)用趨勢(shì)正在上升。由于成本原因和性能優(yōu)勢(shì)，SiC最初被廣泛用于高端車型。今天，SiC已成為中檔量產(chǎn)純電動(dòng)汽車 (BEV)的制勝方案，廠商正在利用SiC的真正的成本優(yōu)勢(shì)。據(jù)分析，由于成本優(yōu)勢(shì)，2020年將有40％以上的純電動(dòng)汽車采用SiC。2025年，SiC的普及率將會(huì)更高，屆時(shí)將有超過(guò)70％的電動(dòng)汽車使用SiC。顯然，這不僅是因?yàn)楦叩哪苄Ш透玫挠脩趔w驗(yàn)，而是因?yàn)镾iC帶來(lái)更多的成本優(yōu)勢(shì)。也因此，SiC成為研制高性價(jià)比的量產(chǎn)電動(dòng)汽車的最佳解決方案。

3   快充的發(fā)展趨勢(shì)

2020年，電動(dòng)汽車充1次電可以行駛約400~500 km。而傳統(tǒng)汽車一箱油就可以行駛約700 km。SiC等新技術(shù)延長(zhǎng)了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。ST一直在開發(fā)最高40 kW的充電板解決方案，充電站可以將多個(gè)這樣的電源板組裝在一起，使充電樁輸出功率達(dá)到200 kW以上，350kW是新的發(fā)展方向。充到安全電量需要大約1 h，這是我們的技術(shù)極限，也是我們一直在研究的領(lǐng)域。隨著SiC的發(fā)展和電路板數(shù)字化，充電技術(shù)有幾個(gè)發(fā)展方向。其中一種是無(wú)線充電，即車輛在高速公路上行駛過(guò)程中充電。

但是，我們正在討論不同的汽車使用方式。在城市中使用家用汽車時(shí)，關(guān)鍵是要經(jīng)常為汽車?yán)m(xù)充，這是目前市場(chǎng)接受的唯一解決辦法。我們正在研發(fā)可快速傳輸能量的充電解決方案，同時(shí)還必須了解快速充電附帶的巨大危險(xiǎn)，因?yàn)樵诔潆娬境潆姇r(shí)，需要在短時(shí)間內(nèi)將200 kW甚至更大功率傳輸?shù)杰囕v，這意味著需要通過(guò)電纜安全地傳輸大量能量。

直流快速充電是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，我們的目標(biāo)是在幾分鐘后為車輛充滿電或充入部分電量。350 kW直流快速充電系統(tǒng)基本上可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。這確實(shí)是一個(gè)巨大的商機(jī)，ST擁有此類應(yīng)用所需的關(guān)鍵技術(shù)，包括SiC。這個(gè)目標(biāo)帶來(lái)多個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來(lái)多個(gè)商機(jī)：在短時(shí)間內(nèi)需要大量電能時(shí)，電網(wǎng)很難傳輸如此大的電能。因此，在剛才提到的充電系統(tǒng)中，我們需要一個(gè)類似于車載動(dòng)力電池組的儲(chǔ)能電池組，用于存儲(chǔ)在幾分鐘內(nèi)為汽車充電所需的電能。當(dāng)充電站處于空閑模式時(shí)，電網(wǎng)給儲(chǔ)能電池充電，也可以把太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)接入整個(gè)充電系統(tǒng)，給儲(chǔ)能電池充電。這個(gè)方案需要開發(fā)大量的電子產(chǎn)品和技術(shù)。在大多數(shù)情況下，此類技術(shù)與電動(dòng)汽車和車載動(dòng)力電池的技術(shù)非常相似。我們堅(jiān)信，這些趨勢(shì)將在未來(lái)幾年推動(dòng)電子半導(dǎo)體整體需求增長(zhǎng)。

（注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）