电动汽车推动功率半导体器件市场节节攀升,SiC即将爆发!

2021-11-11 10:02:16 作者:大大地╮花姑娘   阅读:114 次  点赞:1 次  鄙视:0 次  收藏:0 次  由 1788ta.cn 收集整理
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文︱立厷

图︱网络

到2026年,严格的二氧化碳排放目标将使所有乘用车中电动汽车/混合动力汽车(EV/HEV)份额达到38%,这意味着各种半导体技术和功率器件将获得56亿美元的市场机会。这是市场研究公司Yole Dedevelopment在《2021年电动汽车功率电子技术》中的判断。

有这么多种电动汽车

不管是EV还是HEV,都是电动汽车,或称之为xEV,其具体分类如下:

轻度混合动力电动汽车(MHEV):使用内燃机(或热电机)和电动机的车辆,通常使用功率为10-20kW的辅助ICE电机,包括配备低压蓄电池的48V(轻度混合动力)车辆。

全混合动力电动汽车(全HEV、强HEV):使用内燃机和电动机的车辆,电机由高压电池供电,能够为电机提供高功率,功率范围在70-170kW,不能从电网给电池充电。其电池能量容量相对较低(约2-5kWh),因此在e模式下行驶里程有限(几公里);

插电式混合动力电动汽车(PHEV):使用内燃机和电动机(像全混)的车辆,PHEV的电池可以从电网充电,因此包含车载充电器和充电插头。电池容量大于全HEV,通常约为9kWh。如果使用双向充电器,汽车可作为V2G(车辆到电网)和V2H(车辆到住宅)应用的电源。

增程式电动汽车(EREV):是使用包括一个称为“里程扩展器”的辅助动力装置(APU)的电池电动汽车。这种小型发电机通常是内燃机(ICE),但也可以使用燃料电池。该发电机为蓄电池充电,蓄电池为车辆的电动机供电。这种布置称为串联混合动力传动系。里程扩展器不适于日常使用,只适用于驾驶员需要延长车辆行驶里程以到达下一个充电站的情况。

电池电动汽车(全电动汽车,BEV):只有电机(无ICE电机),使用高功率、高能量容量电池(通常为30-100kWh),可从电网充电。如果使用双向充电器,汽车可作为V2G和V2H应用的电源。

燃料电池电动汽车(FCEV,FCV或氢动力汽车):仅有电机(无ICE电机),通常被称为氢动力汽车,实际上它是一种电动汽车,通过燃料电池堆从氢中产生电力。FCEV包含电池(或超级电容器组),以实现某些功能,如制动能量回收等。其电池为高压电池,通常具有低能量容量(几kWh)。一些FCEV使用更大的电池(约10kWh,可从电网充电,类似于PHEV,以实现更清洁的驾驶(假设充电用电由清洁可再生能源产生,如光伏或风能)。FCEV汽车中的双向充电器可作为V2G和V2H应用的电源。

新能源汽车(NEV):中国政府使用的术语,包括PHEV、BEV和FCEV等。新能源汽车的提法可以使国家出台的政策有更好的持续性,涵盖更多的技术迭代,有助于实现平滑的过渡。通过阶段性调整、退出机制,不断鼓励企业尝试新的技术。在传统汽车上,中国和国外的差距太大,尤其是发动机等,涉及的技术壁垒很高。搞新的东西,跟国外的差距不大,才能避免将来被国外技术淘汰。

近年来,xEV市场发展很快,得益于各国政府承诺2050年将实现碳中和。采用电动汽车是减少二氧化碳排放的关键,主机厂、Tier 1和功率半导体厂商将伴随电动汽车的增长而演变。

在xEV应用中,系统层面涉及主逆变器和发电机、升压转换器、DC-DC转换器、车载充电器;器件封装类型包括分立式、电源模块;功率器件种类有硅MOSFET、硅IGBT、硅BJT(双极晶体管)、碳化硅(SiC)MOSFET和氮化镓(GaN)HEMT等。

BEV引领高压技术

随着严格的二氧化碳减排及各国的碳中和目标,汽车工业朝着汽车电气化迈出了一大步。虽然每个主机厂的电气化战略各不相同,特别是在不同地区,但他们有一个共同的目标,即增加BEV在其车队中的份额。混合电气化仍然是未来10-15年的一个选择,尽管它不符合长期碳中和目标。

虽然有新冠疫情的影响,全球电气化推动的BEV技术仍在加速,牵引逆变器、DC-DC、OBC(车载充电器)等不同转换器中的功率电子器件持续增加,EV/HEV系统在向48V过渡,电池趋势也从400V向800V转变。

电气化选择与转换器功率或电池容量的技术架构选择直接相关,这将导致不同车辆的性能特征完全不同。Yole预计,在未来五年内,随着汽车中增加48V电池,与MHEV相关的功率半导体市场仍将不断增长。此外,从混合动力汽车到BEV,每辆车的半导体含量将随电气化水平的提高而不断增加。

事实上,BEV正在推动这项技术加速发展,在这方面,用户显然要求在较短的充电时间内行驶更长的距离,同时还要降低成本。有几种方法可以增加行驶里程,例如优化电池设计以增加其能量容量或提高逆变器效率。另一方面,为了减少电池充电时间,世界各地都在部署大功率充电器(高达350kW)。为了避免与高电流水平相关的挑战,发展趋势是增加蓄电池电压。将电池电压从现在的400V提高到800V可实现更快的充电,还可以为汽车用户提供高附加值。

事实上,保时捷和现代已经采用了800V电池,其他公司也将效仿。由于主逆变器在更高的电压下运行,其功率半导体组件也必须具有更高的电压额定值,通常为1200V。从600V-750V组件到1200V组件的转变为一些供应商带来了新的商业机会,而其他供应商的业务则将有所减少。车辆电气化的选择,以及不同的技术选择将导致主要主机厂采用不同的战略。

电动汽车的主要驱动因素

电动汽车的续航里程不仅决定于电池,整个动力系统的效率也起着举足轻重的作用。柏林的弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所(IZM)的一个团队正在为保时捷纯电Mission E动力系统开发一种电子控制单元——电源逆变器,它能够比现有方案更有效地转换电池和电机之间的能量。

保时捷SiC电源逆变器

研究人员及其行业合作伙伴的专家们使用特别高效的SiC半导体晶体管,以确保电流流过晶体管时消耗的功率更小。他们希望使用最少的晶体管,因为每一个SiC器件都会消耗一些能量,还要做好冷却。研究人员重新设计了电源逆变器的冷却元件,以使冷却效果最佳。通过这种方式优化传动系统,电动汽车的里程最终将增加6%。

为解决电源模块不同材料膨胀率不同的问题,新的冷却元件采用非常薄的金属板,以补偿加热或冷却时由于轻微变形而产生的应力,延长使用寿命。为降低电源逆变器模块应力,冷却元件和SiC晶体管组成的结构通过绞合柔性细铜线与电子系统的其余部分相连,以防止出现裂纹。可见,800V高压系统恰恰是SiC高温性能的用武之地。

牵引逆变器是功率电子器件需求大户

EV/HEV中基本上有三种转换器类型:主逆变器、DC-DC转换器、发电机和OBC。由于功率水平较高,主逆变器是转换器中最大的市场,功率半导体含量最高。因此,到2026年,主逆变器市场预计将达到195亿美元,占EV/HEV转换器市场的67%,复合年增长率为26.9%。

关于功率半导体市场,由于IGBT和SiC模块之间的重大技术角逐,预计其价值将在2020年至2026年翻三番。事实上,SiC模块目前的成本仍然是650V IGBT模块的3倍左右,但当生产批量更大时,随着向8英寸晶圆的过渡,以及获得更高电池电压的1200V器件的普及,这一差距将逐步缩小。

EV/HEV供应链继续受到不断增长的需求和技术趋势的影响。尽管领先的EV/HEV半导体制造商与其他电源应用(如英飞凌、意法半导体、日立、三菱电气、安森美)半导体制造商保持一致,但其他公司(Tier 1、主机厂、功率半导体制造商和纯模块新来者)目前也在为EV/HEV提供电源模块。

类似的情况也发生在电池设计和制造领域,特斯拉和通用汽车等主机厂正进一步试图控制其供应链。主机厂层面的竞争也打开了两条主要赛道:一条是,拥有成熟市场和知名品牌的传统主机厂正在将其业务转向电动汽车;另一条是,纯电动汽车主机厂正在世界不同地区涌现(如蔚来、Rivian(里维埃)、Rimac(锐马克)、小鹏和合众),以特斯拉为首的其中一些正在逐年快速增加其销量。新推出的车型通常具有更好的性价比,这导致了前十大汽车销量的不断重塑。

xEV功率半导体器件市场(百万美元)

SiC走上EV/HEV的红地毯

现在,不用SiC的车都不好意思叫电动出行。过去几年,特别是自从特斯拉在其Model 3主逆变器中引入SiC以来,在EV/HEV中采用SiC引起了很大反响。但并非所有转换器或所有类型的电气化车辆都适用于这种昂贵的材料。

毫无疑问,BEV是采用SiC的赢家,因为它要求行驶里程长、充电时间快。因此,随着转换器效率的提高,增加的转换器成本得到了补偿,从而节省了电池成本。因此,在主逆变器中使用SiC已成为主要主机厂的共同目标也就不足为奇了,戴姆勒和现代等公司很快就将其纳入了主逆变器中。

虽然SiC器件成本高于硅器件,但有助于降低电池成本和提升续航里程,从而有效降低整车成本,采用SiC逆变器单车可节省约200美元,同时减小主逆变器尺寸和重量。

如今,英飞凌、Cree(Wolfspeed)和意法半导体已经推出了一系列有SiC片芯的器件。许多半导体厂商都将SiC模块作为电动汽车应用的目标。预计到2026年,SiC模块市场将占EV/HEV半导体市场的32%。

SiC和800V的呼应

虽然每家主机厂都有其自己的SiC采用策略,特斯拉用SiC技术显著改善了性能,800V电池的采用也增加了SiC的使用,还有更多主机厂在跟进。目前,上海大众、日产、比亚迪、北汽新能源、吉利等都在其部分车型的OBC和DC-DC中使用了SiC器件;特斯拉、比亚迪、宇通客车、吉利等在电机控制器中使用了SiC器件;即将在主逆变器中采用SiC的车企更多,包括红旗、北汽新能源、江淮汽车、现代、本田、宝马、奥迪及造车新势力蔚来、小鹏、理想等。多家Tier 1也相继发布了SiC电驱动计划,包括博世、德尔福、采埃孚、法雷奥、纬湃科技、精进电动等。

有一点可以肯定,技术不分好坏,适用就是最好,在汽车领域SiC器件将与硅基器件长期共存。在国产化方面,与国外相比国内SiC器件的制造工艺还有一定差距,特别是良率需要进一步提升。另一个关键问题是车企敢不敢用国产器件,这需要一定的勇气和科学的态度,需要一些时间装车上路测试验证。

电气化提速分批导入

车辆电气化的初始战略实施正在加速,因为部分地区/城市禁止使用柴油车,客户对SUV型车辆的偏好不断增加,大众“柴油机门”、“特斯拉效应”、中国零排放汽车的激励措施、电池成本降低、二氧化碳减排目标,NEDC(新欧洲行驶工况)→WLTP(全球统一轻型车辆试验程序),包括新冠疫情,都在推进车辆电气化进程。

车辆电气化加速

目前看,在EV/HEV中的功率电子技术中,根据电气化类型和制造商选择的不同功率水平,主逆变器既可以是分立式器件,也可以是模块;48-12V DC-DC基本上是80-100V分立器件;HV-12V DC-DC基本上是500-650V和80-100V分立器件;OBC基本上是600-650V分立器件;升压转换器基本上是600V分立器件。

每种xEV类型使用的功率器件

因此,模块,特别是SiC功率器件和模块的导入空间很大。国外一些主机厂2018年就开始在OBC上使用SiC肖特基势垒二极管和MOSFET,之后市场渗透率不断提升,进而过渡到可靠性要求更高的电机控制器和主逆变器。这也是从分立器件向全SiC模块过渡的过程。

导入需求最高的是长续航里程电动车型,预计到2024年续航里程在500km以上车型的电机控制器SiC渗透率将接近100%;500km以下的车型整体渗透率可达40%。

毋庸置疑,几乎所有电动汽车主机厂都已将SiC器件的应用列入新项目开发计划,预计2025年将成为SiC在电动汽车市场的爆发节点。

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