碳化硅管做功放_碳化硅功率管取代IGBT

汽车电动化趋势正在加速。过去两年，由于疫情和芯片短缺，全球汽车市场整体表现不佳，但新能源汽车脱颖而出，延续了近年来的强劲增长势头，2021年销量翻番。就连之前对纯电动汽车方向犹豫不决的传统德日汽车厂商，也纷纷推出了自己的纯电动产品作为主打新产品，电动汽车发展前景一片光明。然而，随着电动汽车普及率的提高，充电慢、里程焦虑等问题也越来越普遍。目前解决充电慢的方法主要有两种。一种方法是更换电池，即汽车去电站更换已经充电的电池组，简称电池更换；另一种方式是采用大功率快充，缩短充电时间，希望达到“充电五分钟，续航200公里”的目标。

切换功率更快，但需要将电池组设计成可拆卸，建设大量的切换站，投入资源统一管理更换下来的电池，这无疑会大大增加前期部署成本，所以目前大部分厂商都选择了大功率快充路线。也有两种途径来增加充电功率，即高电流途径或高电压途径。

增加电流的好处是不需要修改电流电压架构，但是大电流会产生高散热，容易导致电池充电时过热。因此，需要改进汽车的散热设计以匹配大电流模式，而大电流模式要求相关部件、连接器和线束具有高载流能力，而载流能力与它们的直径成正比。大电流无疑需要更粗的电线，会带来更高的成本。特斯拉的超级快充方案采用大电流方案，电压400V，最大充电电流600A，可实现250kW的充电功率。如此高的充电电流值对相关模块的热管理技术有很大的挑战。

高压模式是另一种选择。比如将400V的充电电压改为800V，用一半的电流值就可以达到与400V相同的充电功率，可以降低对元器件、连接器、线束的载流量要求，简化散热设计难度，降低成本，延长使用寿命。但采用800V充电架构需要重新设计包括电池组、电驱动、车载充电器在内的整个电源架构，核心部件要具备在800V DC电压下正常工作的能力。

碳化硅功率管取代IGBT

目前主流400V架构中，电驱动功率管主要采用IGBT器件，但IGBT的耐压通常不高于650V，在800V架构中几乎无法使用。即使是采用超级结技术的高耐压IGBT，工作电压也不超过900V，体积也比普通IGBT大很多，这无疑给车内空间布局和散热设计带来了困难。

这时候碳化硅(SiC)功率管的优势就显现出来了。碳化硅是宽带隙器件，击穿场强是硅器件的十倍，因此可以用更小的尺寸实现更高的耐压。目前SiC功率管可以支持1700V MOSFET阻断电压，非常适合高电压应用。而且碳化硅器件导通电阻低，关断时漏电流小，可以显著提高功率模块的效率；碳化硅器件的热导率是硅基器件的3倍，可以承受更高的工作温度，从而降低散热要求；而碳化硅器件的反向恢复电流极低，可以在相应硅基器件的3到5倍工作频率下开关，从而降低了对电容和磁性元件的性能要求。相应的模块可以用重量更轻、成本更低的电容和电感来实现，这对电动汽车减轻重量、延长电池寿命具有重要意义

比如Moser电子官网卖的C3M0040120D就是一款非常适合800V充电架构的SiC MOSFET。该器件采用Wolfspeed第三代平面MOSFET工艺，提高了Cgs/Cgd比，具有更高的硬开关性能。C3M0040120D的阻断电压高达1,200V，而导通电阻仅为40 mOhms，最大工作电流可达66A。C3M0040120d具有小开关损耗、高能效和低散热要求，采用小型TO-247-3封装，非常适合电动汽车电机驱动、太阳能逆变器和高压DC-DC电源等高压应用。

图2:狼速C3 M0040120d

(来源：Wolfspeed产品手册)

另一款Wolfspeed E3M0120090J也可以在官网买到。E3M0120090J还采用了第三代碳化硅MOSFET工艺，寄生参数低，开关速度快。源漏击穿电压Vds达到900V，采用TO-263-7封装。产品通过了AEC-Q 101和PPAP认证，适用于电动汽车充电、UPS、太阳能逆变器等应用。

图3:沃尔夫斯皮德E3 M0120090J

(来源：Wolfspeed产品数据表)

用碳化硅器件替代硅基IGBT，不仅可以提高器件的整体性能，降低散热设计难度，还可以降低整车成本。碳化硅功率器件虽然比IGBT等硅功率器件贵，但由于损耗低、重量轻，可以有效增加整车续航能力，从而降低整车成本。图4中的DC功率转换器由650V硅器件实现，这需要更多的器件、复杂的均流控制电路和高传导损耗。采用Wolfspeed碳化硅功率管，电路简单，开关频率高，可以使用更小更轻的磁性元件。

图4:碳化硅器件在DC-DC功率转换器中的优势

(来源：Wolfspeed官网)

Wolfspeed估计，用碳化硅设备替换IGBT设备的成本将增加75到150美元。但是，这些器件更换后，由于损耗低、电路简单、重量轻，即使在400V架构下，电池寿命也可以提高6%到10%，从而节省600到1000美元的电池成本，这给制造商留下了一个降低成本的空间(将电池容量降低525到850美元)，在800V架构下，碳化硅技术的优势无疑会更加明显。

薄膜电容器非常有用。

如前所述，高压架构会影响到相应电路中的所有核心器件，包括电容、电感等无源器件，主要用于实现各种滤波和保护功能。

其中，薄膜电容器由于具有耐高压、高可靠性、高安全性和无极性等优点，在电动汽车的电源架构中得到了广泛的应用。如图5所示，在电动汽车的大功率充电系统中，从输入滤波、交流-DC转换、DC-林克、DC电压转换到输出滤波都使用了薄膜电容。

薄膜电容采用无感绕组，电流路径短，等效电感ESL和等效电阻ESR小，能承受大电流而不发热。而且薄膜电容器具有自愈特性，即如果电容器中的薄弱点被瞬间高压击穿，薄膜电容器可以通过自愈能力恢复正常功能。从薄膜电容器的加工工艺来看，塑料薄膜上蒸镀的金属镀层厚度只有20到50纳米。如果某处薄弱，瞬间高压通过时可能发生介质击穿，由此产生的高温会使绝缘介质变成高压等离子体气体被释放出来，与击穿点附近的金属涂层一起蒸发。高压等离子体气体在快速膨胀后，会在几微秒内冷却下来，从而在电压急剧下降之前终止放电现象，恢复之前薄弱点附近的绝缘，从而实现自愈功能。这一特性使得薄膜电容器特别适用于汽车、工业、电力等安全性要求高的场景。在800V架构中，对电容器的耐温性、耐压性、可靠性和稳定性提出了更高的要求，并期望消耗和单位

由莫泽电子公司销售的来自制造商EPCOS /TDK的B2563x MKP薄膜电容器非常适合DC-林克。B2563x MKP薄膜电容器的预期使用寿命为10万小时，额定电容范围为50 F至400 F，该系列支持的DC电压范围为500V至1200v，用户可根据具体应用选择相应耐压值的电容器。例如，B25631B1956K200支持1，200 V的电压范围.

图6: EPCOS/TDK B2563xmkp薄膜电容器

(来源：贸易电子)

在800V系统中，大功率应用越来越多，对电感的额定工作电流提出了更高的要求。贸泽电子销售的TDK生产的HPL505032F1汽车电源电路用电感器是一种适用于大功率应用的电感器。HPL505032F1采用高饱和磁通材料制成的低阻框架，通过高磁导率和低损耗铁氧体实现高功率效率。这个电感的额定电流提高到上一代的1.5倍，可以适应高达40A到50A的电流。专有结构设计产生的磁通消除效应有助于控制噪音，而集成外部和内部电极的框架可以降低开路和短路的风险，并确保高可靠性。HPL505032F1通过了AECQ-200认证，非常适合为ADAS中的摄像头模块供电。

图7:tdk HPL 505032 f 1汽车电源电路电感

(来源：贸易电子)

作为电感产品的领先制造商，TDK提供多种汽车轨距电感供用户选择。贸易电子官网销售的BCL电源电路用电感为绕线式功率电感，线圈采用磁性材料完全密封，可以最大限度减少漏磁。感应器采用TDK专有的材料技术和结构设计，并使用金属磁性材料作为核心材料。与传统的性能相近的铁氧体产品相比，电感尺寸减小了35%左右，以较小的尺寸实现了高电感。现有车型最大电感达到47uH，今年即将上市的新款最大电感为101uH。BCL系列绕组线与外部电极的连接结构设计，降低了开路风险，保证了高可靠性。工作温度范围为-55 ~ 155，BCL系列额定电压为40V，适用于ADAS和各种ECU应用中的低压电源电路。

图8:8:TDK BCL电源电路的电感

(来源：贸易电子)

莫泽电子官网可以订购的TDK SPM-VT-D汽车电感是金属磁性材料制成的另一系列金属复合绕线电感，因此也具有小型化和低DC电阻(Rdc)的特点。SPM-VT-D汽车电感还符合AEC-Q200标准，适用于发动机控制模块、LED、ADAS和BCM等汽车模块的电源电路应用。

图9:汽车用tdkspm-vt-d电感器

(来源：贸易电子)

线束、隔离器和接触器

采用高压架构的一个主要原因是大电流模式接近车载线束载流量上限(500到600A)。采用高压架构可以降低线束的载流要求，但还是要注意线束的绝缘层是否满足高压要求。一般电动车有两个电压等级：A级电压最多不超过60V (DC)或30V(交流有效值)，B级电压范围为60V-1500v(DC)或30V-1000v(交流有效值)。所以高压线束通常在B类电压范围，但有些高压线束只支持600V绝缘性能，满足400V电压系统的要求。同样，连接器和隔离器也要注意耐压要求的变化。

接触器也是值得关注的产品。在很多地方，电动汽车需要快速可靠地切换高压大电流DC电路。高压大电流DC电路的切换会产生电弧，导致接触器的分断能力和电气寿命降低。因此，能快速切断电流的高压接触器必须具有良好的灭弧能力，从而保证应用的可靠性。

图10:TDK高压接触器的开关电路性能良好，更安全。

莫泽电子在官网销售的EPCOS/TDK HVC系列高压接触器满足电动汽车高压DC开关应用的要求。接触器采用陶瓷密封设计，在恶劣环境下具有优异的可靠性，高速灭弧功能，最高可支持500A连续工作电流。这些系列产品可用于需要快速可靠开关操作的电动汽车的各种应用中。其中，新HVC43系列B88269X3340C011的支持电压高达1,000V，额定电流为250A，旨在快速关断车辆、充电站或储能系统中锂离子电池的大DC电流，非常适合电动汽车的800V架构。

图11:EPCOS/TDK b 88269 x 3340 c 011产品外形图。

(来源：贸易电子)

摘要

继保时捷推出首款采用800V架构的电动汽车量产车型Taycan之后，包括比亚迪、小鹏、蔚来、理想、长城、BAIC和广汽在内的许多制造商宣布了他们的800V架构计划。他们的800V架构产品计划在2022年或2023年上市，800V架构大行其道。必将改变包括电池组、功率管、电容、电感、接触器、隔离器、线束在内的大部分汽车电源架构部件的发展趋势。积累了技术的制造商，如沃尔夫斯皮德和TDK，无疑在这场技术变革中走在了前列。

审核编辑：李倩