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电装视碳化硅为碳中和进程中的一场革命

时间:2022-02-11 09:04:49 作者:MAJEED AHMAD 阅读:
减少碳排放是汽车电气化的最主要驱动因素,而在推动电动汽车广泛应用的过程中,碳化硅功率半导体将成为关键的使能因素。与传统硅功率半导体相比,碳化硅在支持高温、高频和高压环境下的电动汽车设计方面具备明显优势,这正成就着碳化硅在电动汽车中得到大面积推广的设计趋势。
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碳化硅(SiC)功率器件提高电动汽车(EV)能源效率的能力正在成为新闻的焦点,而电装公司(Denso)将SiC技术描述为脱碳社会的主要基石就诚然是一种背书了。人们普遍认为,电动汽车对减少二氧化碳排放至关重要;而根据电装的预测,在推动电动汽车广泛应用的过程中,SiC功率半导体将成为关键的使能因素。

这家日本汽车供应商声称,他们在其电动汽车中采用了搭载SiC半导体的升压功率模块,相比传统的硅功率半导体模块,其体积减小了30%,功耗降低了70%。功耗的降低反过来又减小了升压功率模块的体积,同时提高了车辆的燃油效率。

图1:升压功率模块中内置多个碳化硅(SiC)功率半导体,以使输出电压高于输入电压。(图片来源:电装)

丰田公司于2020年12月9日推出新一代Mirai车型,其中就采用了这种由SiC二极管和晶体管构成的模块。实际上早在2018年,这家汽车制造商就在其Sora燃料电池巴士中采用了电装提供的SiC二极管。

电装SiC丰田的渊源

电装SiC与丰田的渊源可以追溯到1980年代,当时两家公司联手开始对这种宽带隙(WBG)半导体材料进行基础研究。直到2007年,丰田和电装正式宣布联合开发SiC半导体并投入实际应用。

2014年,他们实现了首次突破,丰田宣布在普锐斯的功率控制单元(PCU)中采用SiC功率半导体。普锐斯是丰田于1997年推出的油电混合动力汽车。PCU在混合动力汽车和其他采用电动系统的车辆中负责控制电机驱动功率,在车辆的总电力损耗中,它消耗了大约四分之一的功耗。

图2:采用硅器件的PCU(左)体积明显大于采用SiC器件的PCU(右)。(图片来源:丰田)

根据JC08测试周期,采用SiC器件的PCU将普锐斯的能效提高了10%。丰田宣布将于明年在凯美瑞混合动力原型车中测试这些基于SiC的PCU,以检验PCU的内部升压转换器和逆变器如何改善电压、电流和热管理性能。

此外,电装还采用了昭和电工(SDK)的150 mm SiC外延晶片,用于其电源控制模块。目前,该公司已经在其车载电池充电器和电动汽车的快速充电座中应用了这些模块。

SiC电装的雄心壮志

碳化硅半导体正在成为电装推动绿色科技的支柱。这家日本汽车技术和零部件供应商将其对脱碳社会的贡献定义为“REVOSIC”,并计划开发一系列采用SiC功率模块的技术。REVOSIC已成为电装用于其SiC技术计划以实现高质量和低损耗EV设计的通用术语。

与硅功率半导体相比,碳化硅在支持高温、高频和高压环境下的电动汽车设计方面具备明显优势,这一点现在已得到广泛认可。电装电源模块工程部的TomooMorino指出,与硅相比,碳化硅具有更低的电阻,因此即使在更高的频率下,也可以轻松供给电流。

图3:SiC器件在开启和关闭时具有低功耗,即使在更高频率下也能实现更加高效的电流供给。(图片来源:电装)

基于此,在特斯拉率先在Model 3牵引逆变器中采用SiC组件之后,SiC MOSFET开始取代电动汽车功率模块中成熟的硅IGBT也就不足为奇了。实际上,当特斯拉于2018年展示SiC组件在牵引逆变器中的性能优势时,丰田和电装早在2014年就已通过普锐斯PCU阐明了SiC的价值主张。

硅与碳化硅世界之间的鸿沟正在缩小,从电动汽车设计对SiC器件的青睐中就可以看出这一点。在当今时代,减少碳排放是汽车电气化最主要的驱动因素,而电装、特斯拉和丰田等SiC拥护者们则证明了SiC器件在高温、高频和高压环境中比传统硅器件具有更高的适用性。

电装称SiC半导体为低碳社会的主要贡献者,这是对这种崭露头角的宽带隙技术的重要背书。这家日本汽车公司的目标是,到2035年,在其制造业务中实现碳中和。

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(参考原文:电装视碳化硅为碳中和进程中的一场革命

本文为《电子工程专辑》2022年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅

责编:Amy.wu
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