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電動(dòng)汽車發(fā)展還有上升空間嗎？更大的電池？更加密集的充電網(wǎng)絡(luò)？再快一點(diǎn)彈射起步？還是全都要？
一直以來(lái)圍繞電動(dòng)汽車的最大痛點(diǎn)，其實(shí)是人們內(nèi)心中對(duì)于電本身的焦慮和無(wú)奈。為什么痛苦？車企都在圍繞這個(gè)核心又迷茫的話題不斷進(jìn)行探索。換電，大電池，高密度三元鋰，這些技術(shù)并不是實(shí)行的困難有多大，也不是效果有多不好，但是落地之后總覺(jué)著差點(diǎn)什么。人們還是會(huì)擔(dān)心，還是會(huì)焦慮，從而放棄購(gòu)買雖然看起來(lái)已經(jīng)很好的電動(dòng)汽車。說(shuō)不出來(lái)到底是什么痛，甚至不知道是否是痛，但就是哪里都不舒服。這就是電動(dòng)車“百步之行，九十為半”的最后一哆嗦。
現(xiàn)在可以回答了：補(bǔ)上這一哆嗦的，就是高壓電氣技術(shù)。從光伏能源，未來(lái)電站，傳輸網(wǎng)絡(luò)，到用戶端充電系統(tǒng)，電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)，全面跨入高壓行列。多高算高壓？目前的主流高端純電平臺(tái)，依舊以400V為主。2019年4月保時(shí)捷Taycan Turbo S全球首發(fā)，帶來(lái)了實(shí)際第一款真正意義的800V高壓電氣平臺(tái)。兩年后，800V平臺(tái)基本在主流車企的新一代平臺(tái)中均有提及。相比于400V，800V 帶來(lái)了更高的功效，更快的充電時(shí)間。充電時(shí)間在800V的加持下大幅提升功率，實(shí)現(xiàn)15分鐘快充補(bǔ)能。
一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變?cè)谟?，汽車以及其搭載的電池開始并不僅僅以續(xù)航里程來(lái)判斷優(yōu)劣，一個(gè)新的參數(shù)，“每分鐘充電所行駛的里程數(shù)”，成為解決用戶痛點(diǎn)的新關(guān)鍵。這說(shuō)明，電動(dòng)汽車市場(chǎng)絕不能僅僅考慮電池的大小，整車架構(gòu)的效率，充電效率、甚至更上游的充電網(wǎng)絡(luò)必須提升到相同戰(zhàn)略高度，才有可能徹底解決純電汽車所謂痛點(diǎn)“不痛不癢”的尷尬局面。
那么，要想未來(lái)電動(dòng)汽車如果可以達(dá)到像加油一樣便捷，高壓電氣技術(shù)全面生態(tài)化是必經(jīng)之路。全生態(tài)的高壓技術(shù)不僅大幅降低了傳輸?shù)膿p耗，同時(shí)大幅縮短的傳輸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)真正意義上的超級(jí)快充。對(duì)于汽車本身電子架構(gòu)來(lái)講，基于整車熱管理的壓力會(huì)更小，電子響應(yīng)更快，相當(dāng)于給純電汽車全身打通“任督二脈”。從電的來(lái)源看，光伏+儲(chǔ)能的高壓化引領(lǐng)都不僅僅是車這一領(lǐng)域，而是真正的人類能源革命。
而構(gòu)建這一“超能力”的靈魂，就是材料的革新。基于碳化硅（SiC）的新型控制器MOSFET（金氧半場(chǎng)效晶體管）會(huì)引領(lǐng)這一波高壓技術(shù)革命。
▲電動(dòng)汽車的關(guān)鍵因素：1分鐘充電可以行駛多遠(yuǎn)？
全生態(tài)電氣系統(tǒng)：廣闊天地，大有可為。先不急于討論這種關(guān)鍵零部件的優(yōu)勢(shì)，我們?cè)倩氐饺鷳B(tài)高壓電氣化的偉大構(gòu)想中。當(dāng)我們討論新一代電氣化車型時(shí)，無(wú)論是純電汽車還是插電混動(dòng)，汽車成為電氣生態(tài)的一環(huán)，電氣化拓寬至從發(fā)電到用電甚至電氣回收，這種產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)變給各個(gè)頂級(jí)的巨型科技公司帶來(lái)了巨大的想象空間。
▲覆蓋多個(gè)生產(chǎn)生活應(yīng)用場(chǎng)景的電氣化生態(tài)電動(dòng)汽車最關(guān)鍵部件之一是逆變器。除了電機(jī)和電池之外，它是電氣化最大的標(biāo)簽產(chǎn)品之一。該重要裝置將來(lái)自電池組的直流電（DC）轉(zhuǎn)換成交流電（AC），為車輛提供動(dòng)力。一般所需的逆變器數(shù)量取決于車輛上使用的電動(dòng)機(jī)的數(shù)量（ 通常每個(gè)電動(dòng)機(jī)一個(gè)），高度智能化的架構(gòu)不排除各種更多的逆變器。此外，圍繞整車電氣架構(gòu)，大量的關(guān)鍵電源為各個(gè)系統(tǒng)所服務(wù)，不同系統(tǒng)的供應(yīng)商在不同生產(chǎn)開發(fā)流程中積極布局。
▲車用關(guān)鍵電源零部件
▲車用SiC模組布局企業(yè)▲汽車，成為消費(fèi)端高壓技術(shù)的最大應(yīng)用場(chǎng)景，引領(lǐng)技術(shù)變革從2018年特斯拉首次開始大批量引入SiC開始，這種“高端技術(shù)”逐漸成為各大車企平臺(tái)的“標(biāo)配”。比亞迪唐，奧迪等，會(huì)逐漸在2023-2024年會(huì)爆發(fā)性上市。奧迪第一款800V SiC SOP將會(huì)搭載在PPE平臺(tái)。奔馳的MMA平臺(tái)會(huì)在2024-2025年跟進(jìn)，此外，volvo也在量產(chǎn)800V進(jìn)程中?？梢灶A(yù)見800V將會(huì)是未來(lái)主力競(jìng)爭(zhēng)車型的標(biāo)配。
此外，需要特別注意的是，作為生態(tài)中另一關(guān)鍵極，光伏電站作為更大規(guī)模的電轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施，可以說(shuō)未來(lái)必須作為電動(dòng)汽車的一部分來(lái)考慮整個(gè)生命周期的能效和運(yùn)作方式。各種規(guī)模的發(fā)電終端與高壓電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能終端在某些方面非常相似，其固有邏輯差別不大，太陽(yáng)能電池串聯(lián)連接以獲得高電壓，并聯(lián)連接以獲得更高的電流/功率。目前一種主流的趨勢(shì)是增加模塊串上的電壓，以利用相應(yīng)較低的電流來(lái)降低連接器和布線中的功率損耗。模塊的典型標(biāo)稱電壓在 500 到 1000 V 左右，會(huì)越來(lái)越頻繁地達(dá)到 1500 V。每個(gè)組串通常都有自己的相對(duì)低功率的逆變器，而不是單個(gè)中央逆變器，從而確?？蓴U(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)性和容錯(cuò)性。此時(shí)DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和逆變器中使用的半導(dǎo)體元件并不比整車中所帶來(lái)的影響小，從而如果我們從一個(gè)整體的觀念來(lái)看，好像這種開關(guān)串聯(lián)起了整個(gè)電力動(dòng)力，從太陽(yáng)到我們能夠駕駛、使用、娛樂(lè)的各種整車設(shè)施，是電池外最重要的“經(jīng)絡(luò)”。
▲從2018年特斯拉首次開始大批量引入SiC開始，這項(xiàng)技術(shù)革命將逐漸從汽車快速滲透到整個(gè)電力交通出行生態(tài)
碳化硅SiC, 毫無(wú)疑問(wèn)的趨勢(shì)全球不同供應(yīng)商/開發(fā)者對(duì)于未來(lái)電壓以及標(biāo)準(zhǔn)的最終解決方案都會(huì)有側(cè)重自己產(chǎn)品的展望，有趣的是，無(wú)論從那個(gè)角度，高頻高壓的盡頭是SiC。也就是說(shuō)， 無(wú)論從哪個(gè)方面來(lái)看，現(xiàn)有最好的解決方案就是SiC模塊。這取決于未來(lái)開關(guān)的應(yīng)用方式，更高的頻率以及更高的電壓，即便SiC的傳導(dǎo)功耗實(shí)際上要比IGBT高（后文會(huì)詳細(xì)對(duì)比），但也無(wú)法阻擋應(yīng)用端的爆發(fā)驅(qū)使歷史終究會(huì)選擇SiC。
▲不同角度下高頻高壓材料的終點(diǎn)是SiC從Yole公司發(fā)布的2020-2026市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告中可以看出，SiC顯然成為技術(shù)與市場(chǎng)的雙重共識(shí)，比例不斷提升，復(fù)合年均增長(zhǎng)率超過(guò)25%。
▲SiC市場(chǎng)的爆發(fā)增長(zhǎng)以及各個(gè)增長(zhǎng)領(lǐng)域預(yù)測(cè)

IGBT與SiC模組的優(yōu)與劣IGBT無(wú)疑是當(dāng)今汽車核心技術(shù)的關(guān)鍵。與SiC MOSFET相比，兩者在幾個(gè)方面存在顯著差異：IGBT由于其動(dòng)態(tài)損耗而被限制在低頻范圍內(nèi)，但在導(dǎo)通時(shí)會(huì)發(fā)出恒定的飽和電壓，從而導(dǎo)致與電流成正比的功耗。SiC MOSFET 可以在數(shù)百 kHz 的頻率下以低動(dòng)態(tài)損耗進(jìn)行開關(guān)，但在導(dǎo)通時(shí)表現(xiàn)出恒定的電阻。這導(dǎo)致功耗與電流的平方成正比。隨著功率吞吐量的增加，SiC MOSFET的功耗會(huì)顯著上升，這也是其一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。圖中顯示了額定50A 的IGBT PIM和額定為 38A 的 SiC PIM 的電壓降與傳導(dǎo)損耗成正比。最佳效率的轉(zhuǎn)換點(diǎn)約為 25A（125℃）。也就是說(shuō)對(duì)于25A，甚至30A以下的傳導(dǎo)損耗，SiC MOSFET的損耗缺點(diǎn)可以完美避開，從另一個(gè)角度上看，高壓（低電流）是SiC完美的搭檔。
▲IGBT PIM 和 SiC MOSFET PIM 在 125 °C 時(shí)的壓降當(dāng)對(duì)比動(dòng)態(tài)開關(guān)操作時(shí)，SiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)了。動(dòng)態(tài)損耗與頻率直接相關(guān)。也就是說(shuō)一開一關(guān)同樣會(huì)帶來(lái)?yè)p耗。例如前文中 IGBT 和 SiC MOSFET 在 20 至 30 A 范圍內(nèi)以相同低頻（例如 16 kHz）開關(guān)時(shí)，傳導(dǎo)損耗相似，但動(dòng)態(tài)損耗卻大不相同。在“開”的過(guò)程里，兩種器件的傳導(dǎo)損耗相差不大，IGBT相對(duì)稍差一些，但絕對(duì)值仍然不是很大。但“關(guān)”的能量損耗要高得多（少數(shù)載流子，在關(guān)閉時(shí)必須從組件的 n漂移區(qū)提取，但在集電極電壓升高時(shí)存在，因此會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)功率損耗）。
▲IGBT 和SiC MOSFET 在 16 kHz 下的動(dòng)態(tài)損耗比較（On Semi）在 95°C 外殼溫度和 16kHz 頻率下提供 500V/25A 輸入和 800V DC 輸出的PV 升壓轉(zhuǎn)換器中，在使用 SiC 半導(dǎo)體時(shí)，整體功耗顯著降低，總損耗約為 IGBT 電路的三分之一，此外，在較低的結(jié)溫下，可靠性更高。
▲同邊界溫度下，SiC基MOSFET元件損耗顯著降低以混合動(dòng)力汽車為例，IGBT模塊規(guī)格一般為600V~1200V/200A~800A，其自身發(fā)熱量較大，而且其與電機(jī)、引擎等都在汽車前車倉(cāng)內(nèi)，空間密閉，熱量集中，如果溫度超過(guò)IGBT的結(jié)溫125℃，則導(dǎo)致模塊過(guò)熱燒毀。因此散熱一直是IGBT設(shè)計(jì)中的重中之重，特別是在高頻動(dòng)態(tài)開關(guān)的管理過(guò)程中至關(guān)重要。SiC直接從發(fā)熱源頭降低溫度，一方面可以減少熱管理上復(fù)雜的布局與壓力，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)搭載更加高頻緊湊的控制器，實(shí)現(xiàn)功能提升。
所以，從這個(gè)思路來(lái)講，除了節(jié)能之外，SiC 更高的效率還可以實(shí)現(xiàn)更小、更便宜的散熱器布置，相同散熱器的溫升更低，或者相同的散熱器和溫升具有更高的功率吞吐量。如表所示40 kHz 的 SiC MOSFET 與 16 kHz 的 IGBT 進(jìn)行比較，其溫升幾乎相同，但功耗仍下降了40%。盡管系統(tǒng)尺寸更小，但效率提高了 50% 以上。此外，增加頻率也可以使升壓電感減小大約三倍。這節(jié)省了成本、尺寸和重量。
▲溫升相同的情況下說(shuō)明即便在原有溫控策略下，SiC也具有非?？捎^的節(jié)能效果在低電流區(qū)域，MOSFET 的通態(tài)電壓低于 IGBT。然而，在大電流區(qū)域，IGBT 的導(dǎo)通電壓低于 MOSFET，尤其是在高溫下。因?yàn)樗鼈儽葐螛O MOSFET 具有更高的開關(guān)損耗，IGBT 通常在低于 20 kHz 的開關(guān)頻率下使用，根據(jù)這個(gè)特性也不排除混合控制器的應(yīng)用，針對(duì)性布置控制策略以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的效率，并實(shí)現(xiàn)成本工藝的最優(yōu)利用。
▲不同區(qū)域Si IGBT 與SiC MOSFET各有優(yōu)勢(shì)損耗并不是 IGBT 和 SiC MOSFET 之間的唯一區(qū)別。與IGBT不同，MOSFET 中集成了體二極管。這在開關(guān)以反向模式或在第三象限運(yùn)行的電源轉(zhuǎn)換器中可能是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。在 IGBT 的情況下，在這種情況下將需要一個(gè)額外的并聯(lián)二極管封裝在模塊中。
此外，由于 SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻隨著新一代器件的引入而降低，因此在越來(lái)越多的應(yīng)用中，其優(yōu)勢(shì)在高功率應(yīng)用中被無(wú)限放大，這也是高壓電氣化以及復(fù)雜整車控制電路亟需的。
▲不同晶體管的主要結(jié)構(gòu)以及參數(shù)特征不過(guò)，SiC 需要精心設(shè)計(jì)才能充分利用，而并不是簡(jiǎn)單的更換材料。例如IGBT 和 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)看似相似，但 SiC 的驅(qū)動(dòng)對(duì)于低傳導(dǎo)損耗更為關(guān)鍵，例如在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要盡可能接近 25V 的絕對(duì)最大值，開發(fā)人員經(jīng)常使用 20V 的電壓，留出一定的安全余量等等。此外，最終的技術(shù)門檻就是封裝工藝以及熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這直接將不同企業(yè)的應(yīng)用水平區(qū)別開來(lái)。

博格華納技術(shù)：雙面水冷+先進(jìn)封裝工藝博格華納(德爾?？萍?是業(yè)內(nèi)首家批量生產(chǎn) 800 V 碳化硅 (SiC) 逆變器的公司，該逆變器是高效的下一代電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵部件之一，可以顯著延長(zhǎng)電動(dòng)汽車 (EV) 的續(xù)航里程并將充電時(shí)間減半。究其原因，就是憑借在 800 V下運(yùn)行的新型SiC 逆變器。汽車工程師現(xiàn)在可以更靈活地優(yōu)化其他動(dòng)力系統(tǒng)：更大范圍或更小的電池；超快速充電或更小、更輕、更便宜的線束；制動(dòng)時(shí)更多地收集車輛動(dòng)能，進(jìn)一步擴(kuò)大車輛行駛里程。
▲博格華納逆變器
▲Viper技術(shù)概念—先進(jìn)的封裝工藝新的封裝結(jié)構(gòu)被命名為Viper，核心是將多個(gè)開關(guān)集成到統(tǒng)一外殼中，并集中熱管理。雙面冷卻是一大特色專利技術(shù)，可直接降低功率模塊的熱量，并在更緊湊的設(shè)計(jì)中提供更好的可靠性。Viper改進(jìn)的可靠性和緊湊的尺寸也使逆變器可以集成到其他組件中，甚至可以直接安裝在電動(dòng)機(jī)或變速器上，同時(shí)又小到可以與其他電力電子設(shè)備一起包裝。而且，Viper獨(dú)特的半導(dǎo)體芯片尺寸和散熱器材料使逆變器能夠快速擴(kuò)展并適應(yīng)不同的功率水平。因此，它可以用于完整和插入式混合動(dòng)力車和電動(dòng)車所需的多個(gè)電壓和電流水平。
▲雙面冷卻概念新的碳化硅 Viper 電源開關(guān)與當(dāng)前的硅開關(guān)安裝在相同的逆變器封裝中，并簡(jiǎn)化了多種車輛性能選項(xiàng)的設(shè)計(jì)。集成的DC/DC 轉(zhuǎn)換器和逆變器為 OEM 節(jié)省了大量成本。而這款逆變器的核心技術(shù)創(chuàng)新是其獲得專利的 Viper 電源開關(guān)，它同樣將SiC與高集成度和獨(dú)特的雙面冷卻結(jié)合起來(lái)，利用兩者優(yōu)勢(shì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合大幅降低發(fā)熱，冷卻水溫可以控制在65℃左右，實(shí)現(xiàn)高頻高功率的應(yīng)用。
▲博格華納SiC ViperViper的工藝要求更高，能否達(dá)到一定的良品率是企業(yè)生產(chǎn)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題?？偟膩?lái)看，單面到雙面的轉(zhuǎn)化，最直接的是解決散熱的問(wèn)題，從而可以優(yōu)化體積，設(shè)計(jì)方法等衍生問(wèn)題，最終影響整體架構(gòu)的效率和緊湊性。目前來(lái)看單單由這一技術(shù)的改善就可以優(yōu)化高達(dá)一半的體積。
▲Viper雙面冷卻設(shè)計(jì)以及緊湊的封裝工藝在體積，重量，效率等多方面全面優(yōu)化從車企客戶都生產(chǎn)設(shè)計(jì)端來(lái)看，好都零部件給了工程師更多都想象空間以及工廠更多的生產(chǎn)空間。該技術(shù)同時(shí)減少每個(gè)開關(guān)所需的碳化硅數(shù)量，從而大幅度降低成本。Viper 的設(shè)計(jì)可將功率損耗降低多達(dá) 70%，同時(shí)提高功率密度 ，這不僅對(duì)單一車型有效，要知道最終都駕駛體驗(yàn)具體取決于駕駛循環(huán)。也就是說(shuō)，好不好客戶說(shuō)來(lái)算，但是制造商在設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)可以利用這些提高的效率來(lái)提高車輛續(xù)航里程、提高整體性能或降低電池成本，從而這種靈活性使得更多都選項(xiàng)可以為消費(fèi)者進(jìn)行獨(dú)特匹配，或者提供不同都車型—包括權(quán)衡電池尺寸、成本和車輛續(xù)航里程的能力；以多個(gè)價(jià)格搭配更多變的營(yíng)銷方式。用于電動(dòng)汽車的 800 V SiC 逆變器可以擴(kuò)展并適應(yīng)更低以及更高電壓的系統(tǒng)，為制造商提供PHEV 和 BEV 所需的多個(gè)電壓和電流水平,覆蓋未來(lái)多個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)路線。
800v只是一個(gè)數(shù)字，而不是終點(diǎn)800v電氣系統(tǒng)絕對(duì)不會(huì)是高壓電氣技術(shù)的終點(diǎn)，900-1200V的技術(shù)已經(jīng)在路上了，更多的創(chuàng)新技術(shù)會(huì)不斷構(gòu)建新的電氣社會(huì)。但不可否認(rèn)的是，從現(xiàn)在開始，發(fā)電到用電全電氣化生態(tài)的重要開關(guān)已經(jīng)被打開了。