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Littelfuse以技术创新推动商用电动车和电动船舶发展
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Littelfuse以技术创新推动商用电动车和电动船舶发展

2024-05-29 14:28:06 来源:半导体器件应用网 作者:厉丹

【哔哥哔特导读】凭借Littelfuse功率半导体、开关产品应用及保护器件等优质产品,功率半导体技术应用经理刘鹏信心满满地向记者表示,在未来的五年之内,中国电动车的商用电动车和电动船舶肯定会发生巨大的变革——中国有巨大的潜力成为电动船舶和商用电动车的领先者。

——专访Littelfuse功率半导体技术应用经理刘鹏

为实现中国双碳战略目标,践行绿水青山就是金山银山的国家大计,新能源产业正以前所未有的发展速度推进。新能源汽车、锂电池和光伏产品在国际市场上形成强大的竞争力,在这方面已走在世界前列。如何通过技术创新,发掘新质生产力,带动各行各业发展成为关注焦点。

区别于乘用电动车,商用电动车是一种具有特殊用途的车辆,如电动货车、电动扫雪车、电动压路机、电动挖掘机等。据悉,2019年商用电动车市场为50亿美元,到2027年将达250亿美元,增长5倍,年复合增长率约为21.2%,市场快速增长;同样,航行在江海湖泊的各类船只,也是各方角力的市场。由于电动船舶可以极大的减少碳排放,因此,电动船舶,如,电动远洋游轮、电动警用巡逻艇、电动渡轮等正逐步替代传统船舶。据预测,2024年,电动船舶市场大概在70亿美元,到2029年将达128亿美元,年复合增加率约在12.65%。

近几年,Littelfuse在商用电动车、电动船舶领域不断耕耘,以满足用户对高性能、高可靠性的应用需求。在刚刚闭幕的第十一届国际汽车技术展览会(AUTO TECH 2024)期间,我们有幸采访到Littelfuse功率半导体技术应用经理刘鹏,就Littelfuse功率半导体、保护器件和开关产品在商用电动车和电动船舶上的应用进行了专访。据了解,Littelfuse在该应用领域中拥有非常广泛的产品线。其中,功率半导体包括可控硅、二极管、IGBTs、MOS管、碳化硅、大功率器件及各种模块等;电路保护器件包括过流、过压保护器件,如压敏电阻、保险丝、气体放电管、e-fuse、TVS等;开关产品包括Pushbutton、Tactile、Key switch、Slide开关等。

Littelfuse以技术创新推动商用电动车和电动船舶发展

图1 Littelfuse产品在商用电动车和电动船舶上的应用

进一步了解到,未来汽车行业可能会进入自动驾驶时代,而电动大卡在城市间或厂区间的运输中,其自动化价值易实现,且用电成本节省会越来越显著。刘鹏表示,对于运输企业,实现汽车电动化至少能省下30%到50%的运营成本。Littelfuse在商用电动车应用中可提供广泛的器件产品。

除了提供更多品类的器件,Littelfuse也提供相应的解决方案和Demo板,以便客户能够更好地理解和使用产品。刘鹏提到,虽然许多客户对各器件地使用很熟悉,但Demo板仍是一个有价值的参考工具。在解决方案方面,Littelfuse在功率半导体、保护器件和开关产品都有对应的典型应用,给用户带来高可靠性、高性价比的系统性、一站式解决方案。

Littelfuse以技术创新推动商用电动车和电动船舶发展

图2 Littelfuse产品在商业电动车上的应用

· OBC:保险丝、MOV、功率器件等;

· 高压电池及电池管理系统:保险丝、MOS管等;

· PDU:电路保护器件 + C&K的开关;

· DC-DC转换器:从高压电池转到12V或24V,高压MOS管、门极驱动、TVS以及各种保护器件等;

· 马达驱动:IGBT模块、TVS保护器件等;

· 汇流箱:保险丝、过压过流器件。

一、功率半导体应用

1.经济效益更突出的可控硅方案

大型商用电动车,像电动卡车平台电压会达到千伏以上,功率等级为MW级别。小型商用电动车电压等级会比较低,基本上在200V以下。对于大型商用电动车充电方案,目前采用多模块并联的方式实现。用到650V/1200V MOSFET或IGBT,以及600V/1,200V的二极管。

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图3 Littelfuse功率半导体器件在展会中的样品

多模块的方案优势是扩容方便,维护简单,但效率和成本并不是最优方案。基于此痛点,Littelfuse提出了一个更加高效,小型化的MW级充电方案:12脉高压整流方案,利用Littelfuse的压接可控硅模块N1718NC200(1718A/2000V)组建的MW充电器,其充电效率可达99.8%。此外,相比较于由于多模块并联SiC MOSFET方案中损耗最终转化成为热能,需要大冷却器来进行冷却,因此其设备体积相当大,而采用12脉整流可控硅方案只需其体积的10%左右,可控硅方案在经济效益方面是非常突出的。刘鹏提到,该方案在效率提升2%的同时,至少可以减低50%的成本。

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图4 可控硅N1718NC200方案

2.适用于兆瓦级充电设备的高可靠性压接式IGBTs

当前,Littelfuse压接式IGBT正被广泛应用于商用电动车和电动船舶。IGBT芯片通过金属钼片将芯圆压接在铜壳里面,并进行密封处理,其优势在于热胀冷缩保持非常平稳,产品长期的可靠性非常高。另外金属钼片的热膨胀系数和芯片接近,将大大提高长期可靠性。同时,该壳体双面散热,无论采用水冷还是油冷散热,都可以达到很好的散热效果。因此,这是一种非常适合兆瓦级充电桩、充电站、驱动器的应用方案。

例如,在某用户中压3.3kV、1.6kA、8MW方案设计中,Littelfuse采用IGBT T2400GB45E (2,400A/4,500 V),配套二极管2,400A/4,500V,构建出一套强力供电保障系统。针对不同中压需求的电动船舶,Littelfuse还提供1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的IGBT方案,满足DC Link电压范围从900-3,600V的供电需求。

另外,采用铜体封装的Littelfuse压接式盘状IGBT相对塑封式IGBT而言,其应力水平更高,避免了兆瓦级应用中可能出现的壳体炸裂、起火、流液等损坏周边电路的情况。10.54kJ的放电能量水平,使其在兆瓦级应用中更具可靠性,冗余度更高。压接式IGBT高可靠性的特点,允许设计工程师进行冗余串联,在单体短路失效的情况下,系统仍可以正常工作。因此,压接式IGBT成为兆瓦级设备应用,特别是在船舶推进系统、充电系统等大功率应用中的首选方案。刘鹏还提到,该IGBT方案还可以根据客户需求实现产品定制化,尽可能地为客户解决实际问题。

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图5 高可靠性压接式IGBTs

二、开关产品应用

C&K Switches的按键在商用电动车和电动船舶上的应用包括:操作杆、显示面板、控制面板、控制杆、带线控制器、座椅、方向拓等。包括Pushbutton、微动开关、Key switch、Tactile点触开关和一些大电流产品应用,如Toggle、Rocker等高端电源开关应用,以及可调式Rotary开关。

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图6 Littelfuse C&K Switches车用开关、模块在展会中的样品

刘鹏特别介绍了作为信号或功率开关的Pushbutton,根据客户需求,可以做到500万次,甚至1,000万次的寿命,此类高性能器件常被用于商用电动车、电动船舶、医疗设备中。刘鹏饶有兴致地表示,不要以为开关看起来简单,Littelfuse为达到超长生命周期,甚至按键声学上的悦耳,我们还建立了完备的可靠性实验室和声学实验室。

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图7 C&K Switches开关应用

比如,为了满足某高端用户在开关按键声学方面的极致体验,Littelfuse团队会对开关拨片里面的弹片进行特别设计,让每一次按键声音听起来更加悦耳。上述都是C&K Switches核心竞争力。

三、保护器件应用

整体而言,Littelfuse保险丝品类非常全,从交流的0.125A乃至贴片保险丝,或是60A、80A,甚至到125 A,应用范围广泛。针对不同的能量等级、响应速度,在众多的产品中,选择哪款产品至关重要,Littelfuse工程师都会根据应用场景、产品性能给用户做出更加完备的解决方案,而为了更快地对接市场,直面用户需求。

Littelfuse保护器件在商用电动车和电动船舶的应用主要在以下几个方面:模块化产品,如PDU、逆变器、Charger,以及在控制板、各种域的板、显示面板、接口板、操作面板中的应用。产品涉及过流过压保护器件,如保险丝(包括大电流、小电流的一系列应用)、TVS、可击穿可控硅(SIDACTOR)、MOV、气体放电管、e-Fuse等。

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图8 Littelfuse保护器件在输入端和通信接口端的应用

Littelfuse保护器件主要涉及两个方向,功率端和通信接口端。功率端因为直面电网、突波、雷击等,吸收的能量比较大。因此,Varistors、TVS Diodes、SIDACTOR + Varistor、气体放电管等方案会应用的比较普遍,达到过流过压的保护;而通信端接口的保护,要考虑数据传输信号失真问题,针对USB 3.2、4.0、HDMI等高速接口开关,会专门设计低寄生电容保护器件。

现阶段,碳化硅的应用比较广泛,包括在OBC和DC-DC上面都有很多成功案例。但是,碳化硅的缺点在于,其门级的正负电压最大值不同,承载能力是非对称的。目前市场上正电压最大在25V左右,而负电压承受能力非常弱,也就是在-5V左右的水平,这对保护器件提出了更高要求。Littelfuse工程师专门针对碳化硅产品,在同一极小封装下搭载TVS管,设计工程师无需通过两个TVS管实现双向非对称保护,不仅满足了非对称应用的市场需求,而且大大节省了板上空间。

另外,TVS管在IGBT模块中也得到了很好的应用。因为大家都知道IGBT的关断,如果是快速硬关断,其overshoot会特别高,这可能将使IGBT处于危险的过压状态。Littelfuse通过TVS管实现有源钳位,一旦在overshoot下出现的过压超过TVS管的限值,则会被击穿,击穿后,给门极一个瞬间充电,减小didt实现了适时削峰,对IGBT进行了有效保护,实施有源钳位后,极大提升了产品可靠性。

目前,无论时商用电动车还是电动船舶,欧洲已经跑在市场前面,但刘鹏信心满满地向记者表示,相信凭借中国市场以及Littelfuse方案的优势,在未来的五年之内,中国电动车的商用电动车和电动船舶肯定会发生巨大的变革——中国有巨大的潜力成为电动船舶和商用电动车的领先者。这也是为什么Littelfuse这两年一定要大力地去做这件事情的重要原因。

未来,Littelfuse还将持续在MOEFET、IGBT、Diode、Thyristor以及SiC Device等系列产品上加大技术研发,提高迭代速度,帮助我们的客户开发出效率更高、性价比更好以及体积更小的优秀产品。

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