【原创】SiC有何魔力,可以让电动车充电更快,跑得更远?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  日前,吉利与全球知名半导体制造商罗姆半导体集团罗姆宣布加深合作。据悉,吉利将利用罗姆以碳化硅为核心的先进功率解决方案。

中国粉体网讯  日前,吉利与全球知名半导体制造商罗姆半导体集团罗姆宣布加深合作。据悉,吉利将利用罗姆以碳化硅为核心的先进功率解决方案,开发高效电控系统和车载充电系统,以延长电动汽车的续航里程,降低电池成本并缩短充电时间。


图片来源:吉利官网

 

在这不久之前,安森美曾发布了一对1200V完整的碳化硅(SiC)MOSFET2-PACK模块。新的SiC MOSFET模块是安森美电动车充电生态系统的一部分。随着电动车销售不断增长,必须推出满足驾驶员需求的基础设施,以提供一个快速充电站网络,使他们能够快速完成行程,而没有“续驶里程焦虑症”。

 

除了充电系统,碳化硅功率器件凭借卓越性能早已成为电力驱动系统中的理想器件。那么,碳化硅究竟有何魔力,可以在充电系统和汽车驱动系统发挥着神奇的功能,让电动汽车充电更快,跑的更远。


碳化硅器件的特性


由于硅基功率器件的性能已逼近甚至达到了其材料的本征极限,研究人员很早就把目光转向宽禁带半导体器件,如碳化硅、氮化镓等。宽禁带功率半导体器件与传统Si基功率半导体器件相比较,其材料特性主要表现在:宽禁带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等。


图片来源:瑞萨电子


1)耐压高。临界击穿电场高达2MV/cm(4H-SiC),因此具有更高的耐压能力(10倍于Si)。


2)散热容易。由于SiC材料的热导率较高(3倍于Si),散热更容易,器件可工作在更高的环境温度下。有报导,SiC肖特基二极管在361℃的工作结温下正常工作超过1小时。


3)导通损耗和开关损耗低。SiC材料具有两倍于Si的电子饱和速度,使得SiC器件具有极低的导通电阻(1/100于Si),导通损耗低;SiC材料具有3倍于Si的禁带宽度,泄漏电流比Si器件减少了几个数量级,从而可以减少功率器件的功率损耗。


碳化硅可以让电动汽车跑的更远


器件的每一步发展,都能带动电路变换技术的相应突破。SiC器件具备的卓越性能,使其成为HEV电力驱动装置中的理想器件,也必将为电动汽车的动力驱动系统带来革命性的改变。


1)首先,可显著减小散热器的体积和成本。理论上,SiC功率器件可在175℃结温下工作,因此散热器的体积可以显著减小。


2)其次,可以减小功率模块的体积。由于器件电流密度高(如Infineon产品可达700A/cm2),在相同功率等级下,全SiC功率模块的封装尺寸显著小于Si IGBT功率模块。再者,由于开关损耗的降低,SiC器件能工作于20kHz以上开关频率,将够显著减小无源器件的体积和成本。


3)最后,可以提高系统效率。与传统硅IGBT相比,SiC器件的导通电阻较小导通损耗下降;特别是SiC SBDs,具有较小的反向恢复电流,开关损耗大幅降低。


以上这些,都可以显著减小电力电子驱动系统的体积、重量和成本,提高电机驱动的功率密度,从而增加电动车的行驶里程。


碳化硅可以让电动汽车充电更快


新能源汽车有各种电能变换的需求,采用碳化硅器件能够大幅度缩小装备的体积,并显著降低损耗。因此,不管是应用在新能源汽车充电桩、电控模块还是车载充电模块上,碳化硅技术都能带来较大的优势。


目前市场上主流的充电桩电源模块主要沿用通信电源的技术方案,基于硅功率器件进行设计,在效率和功率密度方面存在着较大的提升空间。受到硅器件特性制约,传统的电源模块具有较低的器件工作频率和较高的器件开关损耗。较低的器件工作频率迫使电源模块采用较大较重的磁芯元件,降低功率密度的同时,也给电源模块降耗提效带来困难。此外,过高的器件开关损耗将带来更大的结温波动,影响功率器件寿命,进而影响充电模块的使用寿命。频繁更换电源模块将增大充电桩的运维成本。


对于电动汽车充电桩,在众多的充电桩解决方案中,现在消费者最感兴趣的是直流快充模式。但是直流快充模式的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率,这些都需要通过高电压来实现。在电动汽车充电桩的应用里,碳化硅无论是在Boost,还是输出的二极管,目前有很多使用主开关的碳化硅MOSFET电动汽车充电桩方案,其应用前景非常广阔。


参考来源:

[1]吉利与罗姆达成合作,用碳化硅技术提升电动车续航里程.车云网

[2]王学梅.宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用

[3]张栋等.电动汽车用高功率密度碳化硅电机控制器研究

[4]俞庆华.新能源汽车及充电桩市场成为安森美半导体碳化硅的两大重要战略市场

[5]丁晓伟,李志君.碳化硅器件在直流充电桩中的应用研究

[6]盛况.应加大碳化硅材料在充电桩上的应用


(中国粉体网编辑整理/山川)

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