性能超越IGBT，北汽新能源國內首家高頻SiC電機控制器強勢來襲！

新能源汽車行業對汽車動力性的追求從未停止。而電機控制器作為控制新能源汽車核心動力的大腦,一直是業界關注的重點。新能源汽車的核心動力系統是電機控制器上由硅原料(以下簡稱為Si)加工制作而成的IGBT半導體功率器件,但是由于材料限制,傳統Si基功率器件在許多方面逐步逼近甚至已達到其材料的本征極限。以碳化硅(以下簡稱為SiC)為代表的第三代半導體材料,正以其卓越的性能吸引著世界零部件供應商和新能源汽車行業的注意。

北汽新能源作為中國新能源汽車行業的領軍企業,是國內最早整車搭載SiC材料控制器并進行量產的企業之一。日前,搭載第三代半導體SiC電機控制器的北汽新能源實車,在吐魯番即將完成夏季高溫試驗,并在后續開展里程可靠性試驗和冬季高寒可靠性試驗,將SiC材料控制器在極端環境下的可靠性進一步的驗證。

SiC控制器研發困難重重,北汽新能源提早布局直面挑戰

為了提供更好的產品給客戶,北汽新能源在開發SiC電機控制器的路上直面挑戰。早在2018年,北汽新能源就開始了對SiC控制器的開發。通過全新一代主控芯片的應用、軟件架構和代碼執行效率的進一步優化,并基于SiC模塊進行了包括驅動能力、短路保護在內的一系列驅動電路的深度優化設計,在2019年初即開發出了第一臺完全自主開發的SiC電機控制器樣機。目前,北汽新能源開發的SiC控制器開關頻率已從最初的10kHz提升到25kHz,控制器功率達到220kW以上功率等級,在量產產品邊界下,控制器達到了43kW/L以上的功率密度,最高效率從98.5%提升到99.2%,同時控制器具備多核運行、電源管理、主動短路、高壓輔電等多種功能安全相關模塊,為整車安全運行提供基礎保障。

在整車技術上,僅搭載SiC控制器一項措施優化,整車NEDC效率就提升3個百分點。就控制器頻率的提升所帶來更為關鍵的技術突破——電機轉速的提升而言,北汽新能源已開發出2萬轉以上的高極對數永磁電機,正在緊鑼密鼓的測試中,預計未來搭載完整超高頻應用SiC控制系統的整車NEDC效率至少可提高5%,整車減重10%以上,從而實現經濟收益提升,達到既提高了整車收益性,又提升了整車綜合性能的應用目標。

眾多巨頭企業為之傾心,SiC將是PK的全新競技場

SiC材料憑借較Si材料相比具有3倍的禁帶場強、10倍的臨界擊穿場強、2倍的電子飽和漂移速率和3倍的熱導率等優勢,具有更高頻、高效、耐高壓、耐高溫等特點。新能源汽車的選擇從Si材料轉變到SiC材料,主要目的就是通過改變控制器的控制方式、溫度、體積、效率等參數,提升整個系統的效率指標,從而進行整車系統優化,達到續航里程的提升或相同里程下的成本優勢。根據相關測試結果分析,采用SiC材料的控制器組件與Si基器件相比,控制器體積可以減少1/5,重量減輕35%,電力損耗從20%降低到5%,效率達到99%以上,整車續航里程提升5%以上,社會經濟效益十分明顯。

憑借對于性能的顯著提升,眾多巨頭企業紛紛加入了SiC材料研發的戰場。行業巨頭的科銳在2019年對外宣布,將投入10億美元用以擴大SiC產能,在其公司總部建造一座采用最先進技術的自動化碳化硅產品超級工廠,預計于2024年全部完工。與此同時,博世汽車宣布將在2020年生產用于電動汽車的下一代節能芯片,爭取在未來三年內尋找到SiC產品的量產路徑,這是博世133年歷史上最大的一筆投資。作為第一家將SiC模塊批量應用到電動汽車上的整車廠,特斯拉每年預計消耗50萬片6寸SiC晶圓,ST已經無法滿足其供應需求,特斯拉正在尋求其它等晶圓廠家為其提供充足穩定的貨源。SiC材料控制器的前景迎來可預見的爆發期。

但是,SiC材料的優勢也為它帶來了相應的挑戰。從材料成本上,SiC材料價格成本偏高,導致產品無法大規模推廣;在應用技術上,如何提高SiC控制器開關頻率、增強驅動技術的高安全性、解決EMC與EMI(電磁兼容與干擾)問題和降低SiC系統熱損耗等都是SiC產品批量應用上需要克服的困難。北汽新能源日前完成的夏季高溫試驗,未來即將開展的里程可靠性試驗和冬季高寒可靠性試驗,正是在克服困難的征程上,不斷的前行,只為用戶帶來更為暢快的駕駛體驗。