碳化硅，也被“氢车”盯上了
2024-04-19 17:33:34
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NE时代半导体
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吴晰
碳化硅在氢燃料电池汽车中的应用有助于提升车辆的性能和效率，同时降低成本和环境影响，是推动氢能汽车商业化的关键技术之一。
燃料电池具备运行中零排放、高效率等优异特性，是我国在交通运输领域实现低碳排放的重要技术路线之一。当前整个氢燃料电池汽车的产业体系已初步形成，从上游到终端，从整车、部件系统，到相关的服务支撑，基本上形成了一个初步的体系，这为今后大规模推动氢燃料电池汽车产业化奠定了良好的基础。最早的燃料电池可以追溯到1839年，是由威尔士科学家威廉·格罗夫（WilliamGrove）发明出的原型。从2014年开始至今，中国、美国、日本及欧洲的一些国家开始着力于推动氢燃料电池技术的发展。值得一提的是，氢燃料汽车也采用碳化硅。碳化硅甚至对燃料电池汽车的效率、紧凑性等都有着重要影响。燃料电池系统主要由燃料电池电堆、空气/氢气供给系统、水热管理系统、DC/DC这五大系统构成。而这其中的DC/DC则是碳化硅“施展才能”的地方之一。氢燃料电池DC/DC峰值功率需求已经超过180kW，未来的需求甚至达到300kW，而相对成熟的乘用车DC/DC功率要求要小很多。相比丰田Mirai一代，丰田Mirai二代在燃料效率上提升约10%，载氢量提升约20%，进而使续航里程提高了约30%。这其中燃料效率的提高主要原因之一就是采用了SiC的燃料电池DC。丰田Mirai二代燃料电池DC开关设备中采用了新开发的SiC功率半导体，主要包括MOSFET以及SBD。Mirai二代中由8个SBD和8个MOSFET组成了其智能功率模块IPM。对比Si基半导体的Mirai一代IPM损耗，可以看到Mirai二代的IPM损耗降低了约80%。回看国内，2020年8月，中车时代电动汽车股份有限公司宣布成功研制出碳化硅大功率燃料电池DC/DC变换器，而且获得上汽捷氢400套氢燃料电池系统核心部件订单，成为国内首个商业化应用的SiC大功率燃料电池DC/DC变换器。据介绍，相比传统基于IGBT模块变换器产品，中车的变换器开关频率提升4倍以上、功率密度提升3倍以上，系统平均效率大于97%，最高效率可达99%。除了DC/DC之外，燃料电池高速电机电力电子驱动器中，碳化硅也有成为“标配”的趋势。要知道的是，空压机是空气循环系统的核心，其性能对燃料电池系统的效率、紧凑性等有着重要影响。然而，燃料电池用离心式空压机具有“三高”属性：高转速、高性能以及高效率。
为获高压比和高功率密度，需通过电力电子驱动器带动电机高速旋转以推动同轴叶轮。电机的额定转速通常在每分钟9-12万转，高转速对旋转部件产生极高的设计和工艺要求，对电力电子驱动器的控制性能及稳定性产生了巨大的挑战。稳定的空气流能够保证精准的功率输出，并延长电堆寿命，为达到该要求，一般要求电机的转速波动控制在0.2%以内。电磁转矩的平稳性，也进一步降低了转子振动，提高轴系的稳定性并改善系统NVH特性。空压机作为燃料电池的主要耗能部件，要求全工况范围内高效率运行；同时，相较于普通电机，高速电机因损耗密度的增加给转子散热带来更大的难度，影响电机性能和寿命。这样的“三高”，给电机电力电子驱动器带来了严峻的考验，对传统的硅基功率器件来说也是个巨大的挑战。这时候回看碳化硅“高频”、“高耐压”、“低导阻”等特性，恰好相对“完美”地契合这些需求。因此，更高的开关频率、更高的效率和更小的体积等优质特性也让碳化硅成为了燃料电池高速电机电力电子驱动器的功率层设计基础。前面我们也提到，采用碳化硅方案后，各方面性能似乎都很优秀。但由于高频的控制结构产生的能量特别高，比此前常用的IGBT高40倍，且会造成电场与磁场耦合严重，影响部件可靠性、电堆系统性能、整车安全等。
■ 硅基器件和碳化硅基器件的开关波形频谱
其中，电磁兼容问题日益成为燃料电池汽车的痛点。车载碳化硅控制器的电磁兼容是个难啃的硬骨头，相比于传统硅器件，碳化硅会产生更强大的电磁干扰。碳化硅器件形成的更大的瞬变能量，无疑将EMC难度推高了一个数量级。上述总结，氢燃料电池是新兴的应用，对能效的要求非常高。而氢燃料电池车的电力电子系统主要有DCDC升压变换器和空压机，两者也恰恰是有碳化硅诉求的应用对象。
英飞凌在氢燃料电池DCDC升压变换器方面也能提供两种主流方案：SR boost及boost方案。此外，燃料电池空压机要求高频率、高功率、高效率，只有SiC MOSFET能满足这些要求。针对空压机的35kW典型功率，英飞凌有单管和模块两种方案提供。今年年初，利普思宣布，其ED3H系列高可靠性SiC模块将通过空客集团电驱供应商获得其采用，用于氢能飞行器的电驱系统，作为空客集团未来零排放商业飞行器方案的器件方案之一。利普思ED3H系列高可靠性SiC模块专为商用汽车和飞行器领域开发，采用半桥拓扑。利普思紧盯SiC应用的前沿领域，目前在氢燃料电池及电动飞行器有多个应用案例。致瞻科技近年来在燃料电池系统关键部件领域取得快速成长，可提供全碳化硅高速电机控制器。尤其在电磁兼容（即EMC）方面，致瞻科技第2代SiCTeXTM全碳化硅控制器产品，在包括传导发射电流法和杆天线辐射发射在内的所有EMC测试项目中均在满功率工况下了通过IEC CISPR25 Class3高等级电磁兼容认证，且具有充足的裕量。此外，顺应燃料电池集成化趋势，致瞻科技还推出多合一集功率变换器IPF，将燃料电池大功率DC/DC、高速空压机控制器ACC、电化学阻抗谱EIS和功率分配单元PDU等辅助系统关键部件深度融合。2021年10月， Wolfspeed宣布与上海致瞻科技合作，致瞻科技开发出的燃料电池汽车新型电机控制器和多合一集成控制器，内部集成了 Wolfspeed 的 1200V SiC MOSFET。致瞻表示，目前他们碳化硅先进电驱系统和Z碳化硅功率模块，已经成功应用于燃料电池汽车等领域，已获得上汽捷氢、中国中车、长城汽车等企业的批量订单。
除此之外，欣锐科技也一直潜心研究开发氢燃料电池系统DCF（DCF：DC/DC Converter For Fuel Cell）核心技术，已形成60kW-350kW系列化DCF产品，承接了国内主要的氢燃料电池乘用车和商用车项目，市场占有率超过50%，年出货量超过5000台，配套了开沃重卡、长征重卡、宇通公交车等氢燃料车型。值得注意的是，轨道交通也在加快采用氢燃料技术，西门子、阿尔斯通等多家企业已推出相关氢燃料列车。而致瞻和中车的碳化硅技术未来也有望应用在氢燃料火车中。“燃料电池+碳化硅”的组合，是“痛点+需求”的结合。碳化硅在氢燃料电池汽车中的应用有助于提升车辆的性能和效率，同时降低成本和环境影响，是推动氢能汽车商业化的关键技术之一。随着SiC技术的不断成熟和成本的降低，预计其在氢燃料电池汽车中的应用将会更加广泛，也十分期待碳化硅在氢燃料电池领域绽放光彩！■ 研学丨丰田Mirai二代燃料电池系统的优化——燃料电池百科■ 产业 | 氢燃料汽车采用碳化硅？还获批量订单——行家说三代半■ 碳化硅在氢燃料电池汽车中的应用——碳化硅芯观察
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