SMC观点 | 碳化硅将推动新能源车充性能达到全新水平

时间： 2024-01-05 来源：桑德斯微电子公众号

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长久以来，“续航焦虑”都是新能源汽车发展的瓶颈问题，是车企和车主共同的焦虑。但随着高压电气技术的不断进步和快充时代的到来，碳化硅（SiC）一词已经登上了历史舞台。

由于高功率充电站数量有限，相当一部分车主仍然需要依赖车载充电器（OBC）来为电动汽车充电。为此，汽车制造商正在探索采用碳化硅（SiC）技术提高充电器性能。

如今市场上有多种使用不同推进系统的汽车，包括仅由内燃机（ICE）提供动力的汽车、结合使用内燃机和电力系统的混合动力汽车（xHEV）和纯电动汽车（xEV）。xHEV包括两种不同类型的汽车，分别为轻度混合动力电动汽车（MHEV）和全混合动力电动汽车（FHEV）。

MHEV主要依靠内燃机，同时集成了一个小型电池（通常为48V）。但是，MHEV无法依靠纯电力行驶，电动机旨在帮助适度降低油耗。

相比之下，FHEV具有更强的灵活性，它可以无缝结合内燃机和电动机，其中电动机由电池供电（通常工作电压范围为100-300V）。FHEV还可以利用制动能量回收技术为电池充电，利用制动过程中捕获的能量来提高效率。

所有xEV，包括插电式混合动力电动汽车和纯电池电动汽车（BEV），都配备再生制动系统。然而，由于具有较大的电池容量，这些汽车在很大程度上依赖车载充电器进行充电。

多样化的新能源汽车种类 | 图源Bodo’s

最简单的充电方式就是通过线缆将电动汽车车载充电器连接到墙上插座，尽管这种方式非常便利，但有一部分住宅1级系统（或J1772标准中定义的SAE AC 1级）的工作功率约为1.2kW，充电一小时只能增加约8-10公里的里程。2级系统（或SAE AC 2级）通常使用电网的多相交流供电，最常见于公共建筑和商业设施，功率最高可达22kW，充电一小时可以增加约150公里里程。

无论是1级或2级充电器，都是为电动汽车提供交流电，因此车载充电器都是将交流输入转换为直流输出来为电池充电的关键所在。目前，市面上部署的大多数充电器都是2级充电器。

大功率直流充电桩通常称为3级、SAE 1级和2级直流充电桩或IEC模式4充电器，它输出直流电压，可以直接为电池充电，而无需车载充电器。这些直流充电桩的功率范围从50kW到超过350kW，可以在大约15-20分钟内充电至电池容量的80%。考虑到高功率水平和需要对电网基础设施进行改造，尽管快速充电站的数量正在迅速增加，但仍然相对有限。

许多汽车制造商目前正在将400V电池更替为800V。这种转变旨在通过提高系统效率、提升性能、加快充电速度和减轻线缆和电池重量来延长电动汽车的续航里程。

车载充电器分析

车载充电器通常是二级电源转换器，由功率因子校正级（PFC）和隔离型DC-DC转换器级组成。需要注意的是，虽然非隔离型配置可行，但实际上很少使用。功率因子校正级对交流供电进行整流，将功率因子保持在0.9以上，并为DC-DC级生成调节的总线电压。

过去几年中，市场对双向系统的需求显著增加。双向系统让电动汽车能够提供从电池到电源的反向功率流，以支持各种用途。例如动态平衡电网负载（V2G：车辆到电网）或管理电网停电（V2L：车辆到负载）。

传统的功率因子校正方法涉及到结合使用二极管整流桥与升压转换器。整流桥将交流电压转换为直流电压，而升压转换器则负责升高电压。该基本电路的增强版本采用交错式升压拓扑，通过并联多个转换器级，以减少纹波电流并提高效率。这些功率因子校正拓扑通常采用硅技术，如超结MOSFET和低Vf二极管。

随着宽禁带（WBG）功率开关的出现，特别是SiC功率开关，新的设计方法得以实现。这类功率开关具有较低的开关损耗、较低的RDS(on)和低反向恢复体二极管优势。

在中高功率的功率因子校正应用（通常为6.6kW及以上）中，无桥图腾柱拓扑变得越来越普及。如下图所示，在这种拓扑中，慢桥臂（Q5-Q6）以电网频率（50-60Hz）开关，而快桥臂（Q1-Q4）则会进行电流整形和升压，并在硬开关模式下以更高频率（通常为65-110kHz）运行。尽管无桥图腾柱拓扑大幅提高了效率并减少了功率元件的数量，但它提高了控制方面的复杂性。

无桥图腾柱拓扑 | 图源Bodo’s

DC-DC级通常采用隔离式拓扑，使用变压器提供隔离，主要目的是根据电池的充电状态调节输出电压。尽管可以采用半桥拓扑，但当前主要采用双有源桥（DAB）转换器方案，例如谐振转换器（比如 LLC、CLLC）或相移全桥（PSFB）转换器。近来，谐振转换器，特别是LLC和CLLC，因其具备多项优势而受到广泛关注，具体优势包括宽软开关工作范围、双向工作能力以及将谐振电感和变压器整合到单个功率变压器中的便利性。

双向DC-DC原理 | 图源Bodo’s

车载充电器应用中的SiC

对于400V电池组，通常首选SiC 650V器件。然而，对于800V结构，由于具有更高的电压要求，因此需要使用额定电压为1200V的器件。

车载充电器领域采用SiC的原因是其各项品质因数（FOM）表现出色。SiC在单位面积的具体RDS(on)、开关损耗、反向恢复二极管和击穿电压方面具备优势。这些优势使得基于SiC的方案能够在更高的温度下可靠地运行。利用这些出色的性能特点，可以实现更高效、更轻量的设计。因此，系统可以实现更高的功率水平（最高可达22kW），而这是使用基于硅的传统方案（如IGBT或超结）难以实现的。

虽然更高功率的车载充电器可能不会直接影响续航里程，但它能显著缩短充电时间，有助于解决续航焦虑问题。为了实现更快的充电速度，车载充电器的功率正在不断提高。SiC技术在其中发挥着至关重要的作用，它使这些系统更加高效，确保更迅捷的电力转换，并能够避免能源浪费。该技术使制造商们能够设计更紧凑、轻量和可靠的车载充电器系统。

SMC碳化硅SBD产品清单

SMC碳化硅MOSFET产品清单

2015年，SMC布局碳化硅产品的设计、研发与制造，并推出了一系列节能可靠、高性价比的大功率碳化硅产品器件，可广泛运用于包括新能源汽车、光伏、储能、电源等在内的各个领域。SMC始终严格遵守各个行业的可靠性和质量要求，并以卓越的产品质量与稳定的供应能力赢得客户的广泛认可。

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扬杰科技（YANGJIE）碳化硅产品选型指南

公司简介命名规则及包装形态 SiC MOSFET SiC肖特基二极管 SiC SBD模块 SiC MOSFET模块应用+产品推介公司实验室平台长期可II性试验测试参考表

扬杰科技 - MOSFET,WAFER,外延晶片,SIC场效应晶体管,硅晶片,硅锭,半导体分立器件,碳化硅SBD模块,PROTECTION DIODE,SIC,EPI WAFER,SIC SBD,IGBT,功率模块,整流器件,SIC 肖特基二极管,SIC MOSFET,晶圆,SIC备用电池,单晶硅棒,SIC MOSFET模块,RECTIFIER,SIC MOSFET 分立器件,SIC肖特基二极管,SIC MOSFET MODULE,SIC MOSFET,硅片,SIC SBD MODULE,SIC SBD MODULE,SIC MOSFET模块,保护二极管,整流器,SILICON WAFER,分立器件芯片,SIC MOSFET MODULE,SILICON INGOT,外延片,SIC SBD模块,保护器件,YJD2065100NCTGHQ,YJD106520BQG2,YJD212060B7GH,YJD206560B7GH,YJD212060NCTGH,YJD106520FQG2Q,YJD2065200BGH,MB480U065F2,YJD212040T2GH,YJD112020NCTQG2,YJD2120160NCFG1Q,YJD106508PQG2,YJD2120120NCTGHQ,YJD112002DG1,YJD2120120BGH,YJD217045NCFGH,MB60DU12ST,MB80DU12ST,YJD212080NCFG1,YJD206560NCTGH,YJD2120120NCTGH,YJD2120240NCFGH,YJD2120120NCFGHQ,YJD21701K0B7GH,YJD106520DQG2Q,YJD212030NCFGHQ,YJD106506BQG2,YJD212060T2GH,YJD106520PQG2,YJD212040NCTG2,YJD112020BXGG2,YJD212040NCTG1,YJD106502DQG3,MB60DU12STN,YJD21701K0NCTGH,YJD106504PG1,YJD112015PGG2,YJD212040T2GHQ,YJD212030NCTGH,YJD106520NCTQG2,YJD212030T2GH,YJD106540NCTQG2,YJD106510BQG2,YJD106510PQG2Q,YJD112010BQG2,YJD206525NCTGHQ,YJD106502PQG3,YJD106508BQG2,YJD2120240NCTGHQ,YJD212040NCTGH,YJD106510PQG2,MC16UZ12STN,YJD112040NGG2,YJD206550NCFGHQ,YJD106504DG1,YJD212040NCTGHQ,YJD212080NCTGHQ,YJD206560NCFGHQ,YJD106520DQG2,YJD106550BQG3,YJD212080NCFG1Q,YJD112040NCTG1,YJD2120120B7GH,YJD2120160NCFG1,YJD112005PG1,YJD112030NGG2,YJD2065200NCFGH,YJD112030NGG3,YJD2065100NCTGH,YJD112015NG1,YJD212030T2GHQ,YJD106520NCTQG2Q,YJD2120240BGHQ,YJD212080NCFGH,YJD212040NCFGHQ,YJD206520NCTGH,YJD206550NCFGH,YJD2065100B7GHQ,YJD206525NCFGH,YJD206530NCTG1,YJD2120240B7GHQ,YJD212080NCFGHQ,YJD112002PG1,YJD112005DG1,YJD2120240NCTGH,YJD2065100NCFGHQ,YJD206550B7GH,YJD2120120B7GHQ,YJD206560NCTGHQ,YJD206530NCTG1Q,YJD2065200B7GH,YJD112020BGG2,MB120DU12FJ,YJD206525T2GHQ,YJD112015NGG2,YJD106506PQG2,YJD206520NCTGHQ,YJD112030NCTG1,YJD206560NCFG1,YJD112010DQG2,YJD106508DQG2,YJD206530NCFG1Q,YJD212040NCTG1Q,YJD206560NCFG1Q,YJD206560NCFGH,YJD217045NCTGH,YJD112010NQG2,YJD212080NCTG1Q,YJD2120240B7GH,YJD106520PQG2Q,YJD212040NCFG2Q,MB120DU12ST,YJD2120120BGHQ,YJD106520FQG2,YJD2065100B7GH,YJD212080B7G1Q,YJD212060NCFGH,YJD2120240NCFGHQ,YJD212080T2GHQ,YJD212060B7GHQ,YJD112030NCTGG2,YJD112040NCTGG2,YJD112040NCTGG1,YJD212040NCFG2,YJD21701K0NCFGH,YJD106520NQG2Q,YJD212040NCFG1Q,YJD2120120NCFGH,YJD206560B7GHQ,YJD212030NCFGH,YJD106510FQG2,YJD112010FQG2,MB60DU12FJ,YJD206520NCFGHQ,YJD206525T2GH,YJD206550NCTGHQ,MB80DU12FJ,YJD206560NCTG1Q,YJD106506FQG2,MB200DU12FJ,YJD212040NCFG1,YJD112040NQG2,YJD212060T2GHQ,YJD106520BQG2Q,YJD2120240BGH,YJD206550B7GHQ,YJD112010PQG2,YJD212060NCTGHQ,MB480U12F2,YJD2120160NCTG1Q,YJD106510DQG2Q,YJD212080B7GH,YJD212080B7GHQ,YJD212030NCTGHQ,YJD206525NCTGH,YJD112030NG1,YJD106510FQG2Q,YJD212040NCFGH,YJD212080B7G1,YJD2065100NCFGH,YJD112030NQG2,MB200DU12ST,YJD2065200NCTGH,YJD2120160NCTG1,MB180DU065FJ,YJD106508FQG2,YJD212080T2GH,YJD21701K0BGH,YJD106510BQG2Q,YJD212040NCTG2Q,YJD212060NCFGHQ,MB180DU12FJ,YJD212080NCTG1,YJD112005FG1,YJD206525NCFGHQ,YJD112010BXQG2,YJD106520NQG2,YJD212080NCTGH,YJD206550NCTGH,YJD206560NCTG1,YJD106550NQG3,YJD206520NCFGH,YJD206530NCFG1,YJD106506DQG2,YJD112020NGG2,YJD106510DQG2,车载充电系统,清洁能源,汽车,可再生能源应用,AUTOMOTIVE,充电桩,新能源汽车,AUTOMOTIVE SIC DEVICE,OBC,SIC MOSFET OBC,电源,SIC MOSFET OBC,电动汽车车载充电系统,车载DC/DC,清洁能源应用,汽车用SIC器件,电源转换系统,工业电机驱动,光伏储能逆变,光储充

2023年09月 - 选型指南 - 第一版代理服务技术支持采购服务

蓉矽1200V 40mΩ碳化硅产品NC1M120C40HT用于车载充电机，整体系统效率提升约为2%，峰值可达97%以上

蓉矽半导体自主研发的1200V 40mΩ SiC MOSFET NC1M120C40HT已顺利通过AEC-Q101车规级测试和HV-H3TRB加严可靠性考核，支持11kW/22kW大功率主流充电，适配目前OBC 800V高电压电池发展趋势。采用1200V SiC器件可以简化系统拓扑复杂度，总损耗可降低50%以上，磁性器件体积可降低70%以上。整体系统效率提升约为2%，峰值可达97%以上。

2024-07-17 - 应用方案代理服务技术支持采购服务

SMC研发生产的1700V碳化硅MOSFET在辅助电源中的应用

作为一家功率半导体的专业制造商，SMC推出了1700V/1Ω的碳化硅MOSFET。该产品是高电压N型沟道增强型MOSFET，具有极低的总导通损耗，在极端温度下具有稳定的开关特性。此外，SMC生产的MOSFET产品总导通损耗非常低，在极端温度条件下开关特性非常稳定，是特殊作业环境中能量敏感型高频应用的理想之选。

2025-01-14 - 应用方案代理服务技术支持采购服务

科普 | 碳化硅功率器件与光伏逆变器的未来

光伏发电是碳化硅器件除电动汽车以外的第二大应用领域。光伏逆变器作为光伏电站的转换设备，主要作用是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电。本文中SMC将为大家分析碳化硅功率器件与光伏逆变器的未来，希望对各位工程师朋友有所帮助。

2024-07-23 - 技术探讨代理服务技术支持采购服务

派恩杰（PN Junction）碳化硅肖特基二极管和碳化硅MOSFET选型指南

碳化硅肖特基二极管碳化硅MOSFET

派恩杰 - SIC SBD,碳化硅肖特基二极管,SIC场效应晶体管,SIC SBD,碳化硅MOSFET,SIC MOSFET,SIC备用电池,P3D06010I2,P3D06020F2,P3M06120K4,P3D06010E2,P3D06016I2,P3M171K0G7,P3M173K0T3,P3M06120K3,P3D12010T2,P3D12040K2,P3M12080K4,P3D12040K3,P3M12080K3,P3D06002T2,P3M12040K3,P3D06004T2,P3M12040K4,P3D06006T2,P3D06008T2,P3M12025K4,P3M12080G7,P3M171K0K3,P3D06020I2,P4D06010F2,P3D12005E2,P3D06002G2,P3M06060T3,P3D06004G2,P3D06006G2,P3D06008G2,P6D12002E2,P3M06060G7,P3M171K0T3,P3D12030K3,P3D06010T2,P3D12030K2,P3M06060K3,P3D12015K2,P3M06060K4,P3M173K0K3,P3D06010G2,P4D06020F2,P4D06010I2,P3D06016K3,P3D06006F2,P3D06008F2,P6D06004T2,P3D12020K3,P3M06300D8,P3M06300D5,P3D12020G2,P3D12015T2,P3M12160K4,P3D06020T2,P3D12020K2,P3M12160K3,P3D06020P3,P3D12005K2,P3M12017BD,P3D06010F2,P4D06020I2,P3D06002E2,P3D06006I2,P3D06004E2,P3D06008I2,P3D06006E2,P3D06008E2,P3D12010K2,P3M06025K4,P4D06010T2,P3D12010K3,P3M07013BD,P3D12005T2,P3M06040K4,P3M06040K3,P3M12017K4,P3D06020K2,P3D12010G2,P3M17040K3,P3D06020K3,P3M17040K4

选型指南代理服务技术支持采购服务

碳化硅功率半导体在新能源汽车领域的应用

新能源汽车是“中国制造2025”战略的重点领域之一。在未来5年内，中国将超越美国，成为全球最大的电动汽车市场。中瑞宏芯在制造碳化硅器件领域的专有技术能够为电动汽车应用提供完整的解决方案。中瑞宏芯的产品可用于新能源汽车OBC、HV-LV DC-DC转换器、电驱逆变器、充电桩及电动空调压缩机控制器、PTC加热器等。

2024-11-08 - 技术探讨代理服务技术支持采购服务