性能超越IGBT，北汽新能源国内首家高频SiC电机控制器强势来袭！

新能源汽车行业对汽车动力性的追求从未停止。而电机控制器作为控制新能源汽车核心动力的大脑,一直是业界关注的重点。新能源汽车的核心动力系统是电机控制器上由硅原料(以下简称为Si)加工制作而成的IGBT半导体功率器件,但是由于材料限制,传统Si基功率器件在许多方面逐步逼近甚至已达到其材料的本征极限。以碳化硅(以下简称为SiC)为代表的第三代半导体材料,正以其卓越的性能吸引着世界零部件供应商和新能源汽车行业的注意。

北汽新能源作为中国新能源汽车行业的领军企业,是国内最早整车搭载SiC材料控制器并进行量产的企业之一。日前,搭载第三代半导体SiC电机控制器的北汽新能源实车,在吐鲁番即将完成夏季高温试验,并在后续开展里程可靠性试验和冬季高寒可靠性试验,将SiC材料控制器在极端环境下的可靠性进一步的验证。

SiC控制器研发困难重重,北汽新能源提早布局直面挑战

为了提供更好的产品给客户,北汽新能源在开发SiC电机控制器的路上直面挑战。早在2018年,北汽新能源就开始了对SiC控制器的开发。通过全新一代主控芯片的应用、软件架构和代码执行效率的进一步优化,并基于SiC模块进行了包括驱动能力、短路保护在内的一系列驱动电路的深度优化设计,在2019年初即开发出了第一台完全自主开发的SiC电机控制器样机。目前,北汽新能源开发的SiC控制器开关频率已从最初的10kHz提升到25kHz,控制器功率达到220kW以上功率等级,在量产产品边界下,控制器达到了43kW/L以上的功率密度,最高效率从98.5%提升到99.2%,同时控制器具备多核运行、电源管理、主动短路、高压辅电等多种功能安全相关模块,为整车安全运行提供基础保障。

在整车技术上,仅搭载SiC控制器一项措施优化,整车NEDC效率就提升3个百分点。就控制器频率的提升所带来更为关键的技术突破——电机转速的提升而言,北汽新能源已开发出2万转以上的高极对数永磁电机,正在紧锣密鼓的测试中,预计未来搭载完整超高频应用SiC控制系统的整车NEDC效率至少可提高5%,整车减重10%以上,从而实现经济收益提升,达到既提高了整车收益性,又提升了整车综合性能的应用目标。

众多巨头企业为之倾心,SiC将是PK的全新竞技场

SiC材料凭借较Si材料相比具有3倍的禁带场强、10倍的临界击穿场强、2倍的电子饱和漂移速率和3倍的热导率等优势,具有更高频、高效、耐高压、耐高温等特点。新能源汽车的选择从Si材料转变到SiC材料,主要目的就是通过改变控制器的控制方式、温度、体积、效率等参数,提升整个系统的效率指标,从而进行整车系统优化,达到续航里程的提升或相同里程下的成本优势。根据相关测试结果分析,采用SiC材料的控制器组件与Si基器件相比,控制器体积可以减少1/5,重量减轻35%,电力损耗从20%降低到5%,效率达到99%以上,整车续航里程提升5%以上,社会经济效益十分明显。

凭借对于性能的显著提升,众多巨头企业纷纷加入了SiC材料研发的战场。行业巨头的科锐在2019年对外宣布,将投入10亿美元用以扩大SiC产能,在其公司总部建造一座采用最先进技术的自动化碳化硅产品超级工厂,预计于2024年全部完工。与此同时,博世汽车宣布将在2020年生产用于电动汽车的下一代节能芯片,争取在未来三年内寻找到SiC产品的量产路径,这是博世133年历史上最大的一笔投资。作为第一家将SiC模块批量应用到电动汽车上的整车厂,特斯拉每年预计消耗50万片6寸SiC晶圆,ST已经无法满足其供应需求,特斯拉正在寻求其它等晶圆厂家为其提供充足稳定的货源。SiC材料控制器的前景迎来可预见的爆发期。

但是,SiC材料的优势也为它带来了相应的挑战。从材料成本上,SiC材料价格成本偏高,导致产品无法大规模推广;在应用技术上,如何提高SiC控制器开关频率、增强驱动技术的高安全性、解决EMC与EMI(电磁兼容与干扰)问题和降低SiC系统热损耗等都是SiC产品批量应用上需要克服的困难。北汽新能源日前完成的夏季高温试验,未来即将开展的里程可靠性试验和冬季高寒可靠性试验,正是在克服困难的征程上,不断的前行,只为用户带来更为畅快的驾驶体验。