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从IGBT到SIC,这些年电动车的动力升级都经历了什么?

现在各种电气化车辆上都会有一个必不可少的部件,叫PCU,也叫动力控制单元,它主要的组成部分包括三个,一个是逆变器(inverter),一个直流转换器(DC-DC converter),再加上一个升压转换器(boost converter)。这三个部件的作用也很明确,升压转换器先把电池的电提升电压,比如特斯拉model 3的电池组供电为350V,经过升压之后达到650V,然后经过逆变器,逆变器将电池的直流电转换成交流电,交流电给驱动电机供电,这样车辆行进。而直流转换器则是为了给车上的12V车载设备供电,以及给12V蓄电池供电。

在现在主流的PCU方向里面,逆变器和升压转换器都是集成在一起的。目前主流车厂仍然使用IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件,但是像特斯拉这样的厂家已经在model 3车型上开始使用SiC MOSFET(碳化硅功率场效应晶体管)。这篇文字就是要介绍从IGBT转向SiC的意义。

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首先我们聊一下在IGBT器件的时代,到底PCU里的升压逆变器达到了什么样的水平。

首先IGBT器件也不是一成不变的,目前可追溯的2010年代丰田普锐斯上面的那一套PCU,就能达到如下图的效率。

这幅图是第三代普锐斯的逆变器效率图,其中已经包含了升压的过程。可以看到当电机转速在4000转左右到13000转,电机输出扭矩在20到140牛米的一个窄小区间内,逆变器效率可以在99%,而到了外圈部分,逆变器效率越来越低,最低的电机转速1000转左右的地方,效率只有86%。

而恰好电机转速低的地方也就是城市里车辆慢速蠕动的时候。86%的效率还是损失了不少能量的。

那么时间来到2016年,基于IGBT的逆变器的技术有了不小的发展,直接体现就是在BMW的i3车型上,这台逆变器相对之前的效率有了不小的提升。如下图所示。

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从上图可以看到,在转速大约1000到2000转之间,逆变器的效率也能达到92%到95%。这一成果主要得益于WBG-based inverter的技术。这一技术叫“high-voltage–wide bandgap”,也叫基于高压宽禁带半导体的逆变器。

然而这一技术仍然是基于IGBT器件的。真正能再次将逆变器效率提升一个台阶的,则是基于SiC MOSFET,也就是前面说的碳化硅功率场效应晶体管,并做一系列的效率提升模拟。

包括使用二相调制方案减少器件的开关损失,相对之前的三相调制方案,能减少大约30%的损失。

然后使用MOSFET和二极管减少空转周期内的二极管导电损失,这个可以最多减少59.7%的导电损失。

那么这一系列的技术应用会带来多大的提升呢,美国能源部橡树岭国家实验室做了一个模拟计算,得到了如下的逆变器效率图。

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可以看到,最大效率从原来的99%提升到了99.6%,而2000转以下的区间里,1000转左右的地方可以达到96%的效率,600转左右可以达到94%的效率。相比之前的1000转附近效率92%,500转附近效率85%。在低转区间提升的效率点数约为4到8个百分点。

也许有人觉得,逆变器效率已经这么高了,再提高这可怜的几个百分点有什么意义?

意义非常重要,它可以大幅降低工作过程中的发热,减少散热设施,从而将设备造的更加紧凑。

比如从85%到94%的效率提升,意味着发热的能量从15%降低到了6%,少了一大半。在3000转附近效率从97%提升到99%,意味着发热的能量从3%降低到了1%,少了三分之二的热量。

除了效率的提升,SiC的功率半导体在输出电压和功率密度上也大幅提升。本文前面提到,逆变器都是在升压变换器之后的,也就是电池的电会先经过升压之后,再进入逆变器了转换为交流电。那么使用SiC的升压变换器会大幅度提升功率密度和输出电压。

同样是业界的咨询报告也表达了这一观点,下面这个截图来自法国的yole development,一家专注于半导体器件的咨询公司。

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正是因为功率密度的提升以及发热的减少,所以使用SiC的电动车或者混动车的PCU部件体积可以大幅缩小。以下面这幅电装的技术展望为例,如果全面使用SiC器件,整个PCU的体积将会减少80%。

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除了美国能源部对SiC MOSFET看好之外,业界的厂家也非常积极的推进这一产品。这其中最起劲的就是德国的英飞凌Infinieon.

根据英飞凌自己出具的分析报告,碳化硅相对纯硅的IGBT,在半导体的开关损耗上大幅降低。

如下面的图所示,在turn-off loss,也就是关断损耗上,碳化硅器件的能量损耗只相当于纯硅IGBT的10分之一只有。在turn-on loss,也就是导通损耗上,能量损耗也只有大约一半左右。

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当然,英飞凌作为商家,积极推进这一产品的普及,也是为了自身利益。毕竟英飞凌是这个行业里面规模最大的厂商。

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那么,碳化硅这么好,它有没有问题呢?

其实问题是有的,最大的问题就是成本。

根据2017年的加州空气委员会雇佣Ricardo, Munro&Associates, ZM的一份报告,

如果使用SiC做逆变器,将会带来一系列的成本增加。

根据报告的分析,以丰田第四代普锐斯的直流变换器,升压变换器,以及逆变器为例,使用SiC会带来大约105美元的物料成本的增加。

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也许很多人不清楚增加105美元意味着什么。那么我们就以普锐斯的整个Power Inverter Module模块的成本来算。下面的表格表示,如果第四代普锐斯年产20万辆,那么其整个Power Inverter Module成本其实只有566美元。注意这里的Power Inverter Module是包含了上述的三个部分的,即直流转换器,升压转换器和逆变器。按照报告的说法:

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也就是说整个PIM模块其实成本只有566的情况下,就要增加105美元。对这个模块而言,成本的增加比例是很高的。

当然,这些工业化产品,真正实现大规模生产之后,成本很少是问题,除了需要采用稀有原材料的之外。

所以我们可以很容易的看到,将来的电驱动车辆会普及SiC器件,让电驱动车辆跑的更远。

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