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单管20元,碳化硅在车载OBC普及还有多远?
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单管20元,碳化硅在车载OBC普及还有多远?

2024-05-11 15:28:03 来源:电子变压器与电感网 作者:丘水林 点击:1912

【哔哥哔特导读】2023年下半年以来,碳化硅单管器件价格已急剧下降至20元左右,碳化硅在车载OBC的普及应用还有多远?企业又该如何优化现有产品方案以应对即将到来的碳化硅应用潮?

碳化硅方案在车载OBC的应用目前仍以简单替代传统的硅基器件为主,碳化硅的性能优势并未能完全发挥出来。随着价格战不断升级,成本压力不断增加的情况下,降本或将成为整机乃至整车厂进一步挖掘碳化硅器件性能潜力,加速碳化硅市场在新能源汽车的渗透速度的动力。

本期《对话》通过知名院校、整机企业、芯片企业和磁性元件企业,共同探讨碳化硅市场落地的技术难题及磁性元件未来的改进方向,以探究如何更好地满足第三代半导体在新能源汽车的应用。

嘉宾图

对话导览

1、同样功率下的OBC,采用碳化硅方案后系统整体成本差异大概是多少?性能提升如何?

2、采用碳化硅器件后,OBC产品解决方案对功率器件、磁性元件的用量有何改变?对性能的要求或改变主要体现在哪些方面(比如宽温特性、频率、体积等)?

3、针对功率器件而言,目前的碳化硅器件依然采用传统的封装形式,结温还是175℃,是否有采用新的形式优化封装,以提高散热效率?

4、OBC母线电压升高后,磁元件企业如何在磁通密度较高的情况下(0.15T或更高)降低磁性元件的损耗(铁损)?

5、对功率器件、磁性元件而言,最大的挑战是什么?目前有哪些解决方案可以解决磁性元件频率无法匹配功率器件的问题?

对话内容

1、目前采用碳化硅OBC模块产品主要集中在哪个功率段?

浙江大学王正仕:目前6.6kW是标配产品,碳化硅渗透率应该不超过20%。

东风汽车史来锋:6.6kW用得不多,11kW可能会有,但实际上现在也不普遍,我估计可能在5%以下,我们自己只有一款车是碳化硅的。

这里面还有一个背景是,现实中用户没办法安装11kW的桩,因为11kW要用三相电,很多小区不让安装,向下兼容又只能使用3.3kW,不像国外很多大House,三相电不成问题,我们也是最近才意识到这个问题。不过现在出口越来越多,我相信11kW平台的量还是会拉起来的,国内主流还是6.6kW为主。

英搏尔高军:6.6kW产品只有交流侧部分需要用到碳化硅,目前母线电压只有400V,所以现在用得很少,但从今年的趋势看,会越来越多。

巨一动力徐晓泉:6.6kW平台的OBC产品基本上都已搭载碳化硅,渗透率在80%以上,11kW、22kW等更高功率的平台,因为涉及到三相交流的高压整流,传统硅管无法满足,渗透率要更高,功率越往上走,碳化硅产品的优势会越明显。

士兰微甘谨豪:主要集中在11kW和22kW两个功率段,11kW及以上功率段OBC只能使用碳化硅器件,硅基器件无法满足系统性能要求。

Qorvo Andy Jing:我们在跑客户过程中收集到最多的是6.6kW的,部分走在前面的客户比如比亚迪,也在慢慢研究11kW及以上平台的。

威海东兴张洪伟:从了解的情况看,基本考虑的都是三相11kW以上的碳化硅产品上使用,归结原因,应该还是总体成本。

超越精密於汉斌:从目前交货的产品看,第八代产品都是碳化硅方案,功率主要在6.6kW及以上功率段的产品。

图片来源:士兰微

图片来源:士兰微

2、同样功率下的OBC,采用碳化硅方案后系统整体成本差异大概是多少?性能提升如何?

浙江大学王正仕:一般来说采用碳化硅器件后,效率提升幅度在0.5%-1%,因为传统OBC方案效率也比较高,基本在95%左右,更大的潜力是在OBC体积的缩小方面。但目前的碳化硅方案并没有把OBC体积做得很小,主要的原因就是频率没有提上去,因为提频需要重新设计电磁兼容方案,整个方案改动较大。

东风汽车史来锋:成本差异应该不是太大,现在大家对成本都比较敏感,一点一点地扣,而且OBC对效率、体积也没那么敏感,比如1%的效率,对于整车而言,可能也就相当于每百公里0.1度电的能耗差距,对于6.6kW的OBC而言,碳化硅也不是最迫切的。

英搏尔高军:前两年碳化硅和硅管的价格差异还是很大,在2倍以上,但今年的碳化硅价格极具下降,已经快接近硅管,产本差异已经不大。

性能方面,效率提升大概零点几个点,碳化硅方案的关键不在于性能提升,达到800V以后,硅MOS是无法满足使用需求的,IGBT也做不到这么高的频率,而碳化硅的优势是既能做高频,又能做高压。

巨一动力徐晓泉:经过这几年的发展,国产碳化硅也越来越成熟,碳化硅的价格已经压下来了,跟普通的硅管相比差不了多少钱,直观地说,以前一个碳化硅管可能卖30-40元,现在差不多20元,价格已经比较亲民。

性能方面,传统硅管的整体效率始终难以提上去,使用碳化硅方案后,PFC效率至少提高0.5%以上,频率提高1倍,磁性元件体积减小25%-50%,包括电流纹波也会变小。

士兰微甘谨豪:OBC应用的碳化硅产品为1200V 40mR和80mR的插件单管和贴片单管,目前士兰微都有相应的产品可以满足客户需求。

Qorvo Andy Jing:整机厂商对价格压得很低,如果说1200V 40HΩ的碳化硅20-30元,那确实是做不了,除非量特别大。我们公司也做过相关研究,就6.6kW平台而言,如果频率没有特别大的提升,比如说双向交错式图腾柱的6.6kW产品,频率在60kHz左右,简单用碳化硅方案替代硅基器件,总的成本会偏高。

性能提升方面,碳化硅方案确实会提高系统的整体效率,具体看各个厂家的方案设计能力。

威海东兴张洪伟:对磁性元件而言,高频化以后,体积会变小,比例高的甚至可以缩小50%,根据客户的设计方案、散热方式而有所不同,相应地磁芯、铜用量会减少,虽然说使用碳化硅成本会增加,但磁性元件的成本是降低的。

超越精密於汉斌:从客户端要求看,一般要求磁性元件成本降低20%左右。

图片来源:士兰微

图片来源:士兰微

3、采用碳化硅器件后,OBC产品解决方案对功率器件、磁性元件的用量有何改变?对性能的要求或改变主要体现在哪些方面(比如宽温特性、频率、体积等)?

浙江大学王正仕:OBC的ADCD变换器一般采用交错并联方案,有快桥臂和慢桥臂,其中ACDC第一级电路的快桥臂速度要求比较快,一般会用碳化硅器件;另外,变压器的右侧有些方案是采用IGBT与碳化硅合封;11kW平台渗透率要更高一些,因为涉及到高压,母线电压基本会采用碳化硅方案,传统的碳化硅方案也不能满足应用要求;22kW的碳化硅方案目前还不多,普通的车11kW OBC也够用了。

目前的方案都是在传统方案基础上采用碳化硅器件替代硅基器件,只是效率提高了,电路拓扑并没有改变,磁性元件的用量也没什么变化。

英搏尔高军:碳化硅器件的使用和磁性元件的使用量没有关系,但是对磁性元件的性能要求可能会提升,包括我们已经在计划运用的氮化镓,目标就是提高频率,提频后对磁性元件的压力会越来越大。

巨一动力徐晓泉:车载电源目前应用碳化硅器件比较多,因为电源拓扑比较多,PFC高频开关一般就要2颗碳化硅器件,像威迈斯、欣锐科技等头部型企业都有采用碳化硅解决方案。

士兰微甘谨豪:在拓扑结构与用量方面基本没有变化,客户应用要求更多体现在高电压等级下的开关特性,以及更高的工作结温。碳化硅方案在OBC应用主要是配合800V电池电压,要求更好的开关特性与更高的耐压,对应的1200V器件正是碳化硅器件的强项。

Qorvo Andy Jing:会有的,举个例子来说,比如40HΩ的通态电阻,因为高温特性问题(硅基器件一般是3倍,碳化硅是1.2-1.5倍),从25℃到125℃,硅基器件通态电阻可能从40HΩ变成了120HΩ,但是采用碳化硅方案,可能用50HΩ或者60HΩ就可以替代40HΩ的。

威海东兴张洪伟:碳化硅方案的优势在电源设计上无非就是高频率、高温度、高耐压、低损耗,对于磁性元器件来讲,肯定是尺寸会进一步降低。因为铜、磁心的需求量同功率变小,成本肯定是会明显下降的,碳化硅对于磁性元件的设计来讲也会有新的挑战,高频率后,磁性元件的杂散参数(分布电容、电感、SRF、漏感、趋肤效应、邻近效应)对电源的影响会变大,所以磁心元件设计的难度会变高,磁芯材料会最求更低的高频损耗,更宽温低损耗磁心,碳化硅产品的体积变小,势必造成散热面积减小,设计强化碳化硅器件的散热和规避本身的局部发热问题。

超越精密於汉斌:目前的碳化硅方案工作频率,100kHz-300kHz都有,体积要求减小10%-20%。

图片来源:士兰微

图片来源:士兰微

4、针对功率器件而言,目前的碳化硅器件依然采用传统的封装形式,结温还是175℃,是否有采用新的形式优化封装,以提高散热效率?

Qorvo Andy Jing:不同的封装形式热阻不一样,同样的损耗,热阻低了温升自然就下来了。目前业界6.6kW的OBC用分立器件特别多,确实绝大部分都是采用原来硅基器件的TO247封装形式,结温175℃(一般情况下,工作温度+20%裕量=结温),而且都是底部散热,再通过PCB把热导出去,这种布局散热器就不太好安装,现在客户提出的碳化硅器件新需求就是:能否设计成顶部散热,这样效率更高,也更方便,很多客户提出这样的需求了,我们也正在开发中,年底就可以送样。

5、OBC母线电压升高后,磁元件企业如何在磁通密度较高的情况下(0.15T或更高)降低磁性元件的损耗(铁损)?

威海东兴张洪伟:1)通过跟磁心厂家的深入沟通交流,碳化硅开发应用更高频率,宽温低损耗的磁芯材料;

2)磁心损耗现阶段依靠磁心厂家技术提升降低其实有限,在碳化硅设计OBC磁性元器件的时候,还是以通过增加圈数或者增加磁芯的截面积来降低磁心的磁通密度,所以在这类磁芯元器件设计的时候基本上磁心需要重新建模设计,碳化硅标准品已经很难选择到适用的。

超越精密於汉斌:电压提高最直接的改观是匝数会增加,我们选取BMAX不会超过0.2T,一般是0.15T,保证在这种情况下不会产生饱和。

图片来源:士兰微

图片来源:士兰微

6、针对OBC车载磁性元件而言,是否有针对磁芯的结构和形状进行优化设计?

威海东兴张洪伟:磁性元件在OBC里面是体积占比非常大的一类器件,包含谐振电感、主变压器、共模电感、PFC电感、互感器、辅助电源变压器,优化是所有碳化硅器件全方面的:

针对PFC这类高电压,高电感量,需要满足高直流叠加,同时又是高频工作状态的器件,优选考虑金属磁粉芯类磁心,加扁平线结构解决,可以获取更小的尺寸和更低的损耗,更利于散热;

共模电感也是,结构上设计考虑使用扁平线结构设计,实现高电感量同时损耗,空间利用率扁平线结构更有利,同时散热面积变大;

再就是谐振电感和主变压器考虑,尽量考虑磁集成,减少整体尺寸,减少铜线用量,可以在最小的尺寸内,让那个磁芯工作在更小的磁通密度下面,同时利用利用分段气隙技术,减少涡流损耗,主变和谐振本身也是发热大户,要充分利用好碳化硅OBC水冷散热的特点,碳化硅结构设计上要让磁心和线包更大的面积跟散热部分接触,更顺畅的散热,会让磁性元件尺寸降低。

超越精密於汉斌:碳化硅体积缩小至原来的90%,甚至80%,但还要满足相同甚至更高一点的性能要求。除了材料的选择,碳化硅结构设计也需要进行更多的优化,比如磁芯中柱两边开风槽,分段式开气隙避免切割磁力线等方式优化设计。

7、对功率器件、磁性元件而言,最大的挑战是什么?目前有哪些解决方案可以解决磁性元件频率无法匹配功率器件的问题?

浙江大学王正仕:我认为还是如前文所说的,一是电磁兼容,提高碳化硅OBC频率需要大幅修改原有OBC方案,带来的成本会比较高;二是高频损耗。采用碳化硅后,车厂关心的还是怎么把体积做小,功率密度提高,这就需要提频,碳化硅器件提高到200kHz左右没有问题,但磁性元件的高频损耗导致的发热问题会比较难处理,因为磁性元件从结构而言散热是不太好解决的。

英搏尔高军:目前主流的碳化硅设计方案频率都在100kHz左右,但是各个厂家已经在研究把频率提高至300kHz,高频磁性元件和低频磁性元件的设计方法是不一样的,需要选择高频损耗低的磁芯,也要选择线径更小的线材降低涡流损耗,包括EMC的设计也会不同,电感需要滤除的频率也更高,这些都有待于进一步的研究和验证。

巨一动力徐晓泉:目前业界的碳化硅OBC产品频率普遍在70kHz左右,PFC在100kHz以内都不会有太大影响,上到高压平台后对碳化硅器件和磁性元件的要求会开始逐渐显现,比如后级频率提高到200kHz,LLC电路碳化硅器件至少要用到4-8颗,对磁性元件的高频损耗要求会更高。当然这种碳化硅产品跟车型(售价)相关,目前总体上看量还不大。

浙江工业大学车声雷:有看到企业做出了接近1MHz的碳化硅方案,可能跟各个企业的碳化硅设计思路也有一定关系,而且新能源汽车因为涉及到安全性,大家在碳化硅实际应用过程中求稳为主,成熟的碳化硅技术才会应用到车上,100kHz左右的碳化硅方案会比较多一些。

因为目前碳化硅方案的应用并没有提高频率,而是往高压大功率方向发展,从目前接触到的需求来看,对磁性元件或者磁材的要求看企业关注点还是在碳化硅宽温特性,比如150℃-160℃损耗能够控制在300mw/cm3左右,这样碳化硅效率可以更高。

士兰微甘谨豪:主要是碳化硅器件制造产业链上下游成本(SiC衬底及外延缺陷优化提升,芯片良率提升等都可以降低成本),以及碳化硅产品长期的可靠性等挑战。

威海东兴张洪伟: 每个OBC客户的碳化硅方案设计都有偏差,造成每一套磁性元件设计都是一个新设计,需要从电性能、结构、仿真各个方面重新设计,磁心、骨架、底座都不再是标准品,需要通过雕刻、3D打印,留给每个环节的时间都很紧张,变压器设计需要电性、结构设计同步协调进行,难度肯定是较以往高很多,而且往往设计失败,造成的后果影响非常大,电源的结构也会导致推倒重来,磁性元件厂家没有那么多重来的机会;

碳化硅器件功率越来越大,体积越来越小,结构设计需要压榨每一分空间,才能得到最优化的结果;

磁性元件设计最大的问题还是跟电源匹配问题,能不能第一时间确认电性参数设计是否合理,不能通过制样来核实,制样只能后期微调,关键还是碳化硅方案设计前期考虑好频率对磁性器件影响的评估,根据评估碳化硅结构设计产品结构,气隙尺寸,合适的线径、评估气隙的大小,同时做最后的仿真运算,一次性排查碳化硅器件的设计问题。

超越精密於汉斌:目前比较大的挑战还是碳化硅的价格吧。目前6.6kW的OBC,很多整机厂家要求磁性元件做到120元/套,但实际上目前的方案整套磁性元件成本都在160元左右,也就是说整套方案需要重新设计。

威海东兴磁集成产品,图片来源:威海东兴

威海东兴磁集成产品,图片来源:威海东兴

8、元器件厂商未来需要在哪些方面进行提升和改进,才能更好地发挥出碳化硅方案的优势?

浙江大学王正仕:对碳化硅系统而言要把整个通道上的热阻降低,具体到磁性元件,主要有以下几个方面:一是通过碳化硅新材料、新配方降低磁材损耗,如果能够提高饱和磁密度那就更好了;二是通过改进绕线工艺,降低绕组的趋肤效应和邻近效应从而降低绕组损耗,比如目前市面上的膜包线,采用更细的铜线绞合;三是磁性元件的结构设计,目前的方案磁性元件很多还是标准件,比如E型/EQ型等,这种形状具体到碳化硅OBC这个应用场景,不见得是最优的结构,好的结构设计对于提高功率密度还是有帮助的,比如一些二合一的车载电源,OBC、DCDC合用一个磁性元件,这种磁性元件一般是厂家定制,能够有效改进磁性元件的结构设计,对减小体积、提高功率密度和散热都有帮助。

巨一动力徐晓泉:磁性元器件我们主要是考虑几方面:一是碳化硅损耗特性,在某一频率下它的整体损耗能达到最优;二是碳化硅温度特性,在某一温度下它的损耗是最小的;三是未来随着碳化硅器件的应用,电压平台会逐渐升高,对磁性元件的耐压也会提出更高要求,目前400V平台耐压要求一般是2000V,未来可能会提高至3000V以上。

目前主要是通过提高电压以提高功率密度,随着电源技术的发展和成熟,未来高频化也会逐步推进,将频率提高到700kHz甚至更高,推动碳化硅OBC往小型化、大功率化方向发展,对磁材或磁性元件的高频损耗也会提出要求。

士兰微甘谨豪:不同厂商需要结合自己的发展方向及自身的特点,因地制宜,见仁见智了,综合来讲加深跟终端用户的紧密配合,提升碳化硅方案对于客户应用的理解及研究,才能基于碳化硅产品平台,不断完善及改进,开发及制造出更符合客户要求的碳化硅产品。

威海东兴张洪伟:碳化硅器件的优势前面也说了,关键是在高频率、高耐压、低损耗等特点,会倒推变压器向高频率、高电压方方向发展,高电压还好解决,高频率碳化硅器件的杂散菜蔬来来的影响是巨大的,器件设计必须考虑在高频率下面,仍然具备低的杂散参数成了变压器设计的关键控制点,同时需要铁氧体磁心厂家研发更低损耗的磁芯材料配合。因为碳化硅器件的圈数变得越来越少,平面变压器和磁集成结构变压器的应用就会更加广泛,东兴也是着重往这两个碳化硅方案的设计和生产进行投入,在磁集成变压器和平面变压器持续投入自动化生产设备,相信能够给到电源企业非常大的支持。

OBC上的磁集成产品,图片来源:威海东兴

OBC上的磁集成产品,图片来源:威海东兴

超越精密於汉斌:一是碳化硅结构优化,低压平台和高压平台肯定是不一样的;二是碳化硅绝缘性能优化,目前大部分用的都是膜包圆线,空间利用率稍差一点,绕线占空比浪费很多,可能会采用膜包方线去提高绕组的空间利用率。

结语

综合对话嘉宾的观点看,目前碳化硅方案在车载OBC的渗透主要集中在11kW及以上平台,但6.6kW平台也有部分渗透,尤其是今年的新方案中,碳化硅器件渗透率越来越高;

从成本角度看,碳化硅方案略高于传统方案,但已无明显差距,部分厂商通过优化电路拓扑的优化设计,整体系统成本能与传统方案持平甚至更低,就碳化硅MOS管而言,2023年下半年以来价格急剧下降,据了解目前单管价格已到了20-40元区间。未来随着元器件技术的进步,预计碳化硅器件在OBC应用的比例将上升;

对磁性元件而言,面临高功率、高频率和小体积等方面的挑战,需要进一步优化碳化硅方案选材和结构设计以实现降本目的,磁集成技术可能会在未来得到更加广泛的应用。

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