伴隨著人類社會的發(fā)展，對于能源的需求也越來越多，基于傳統(tǒng)方式的能源利用，在給人類帶來更加便利的生活方式之外，也帶來了環(huán)境污染和氣候變暖等一系列的負(fù)面影響。這促使人們將目光從地下轉(zhuǎn)向天空，尋求利用太陽能取代化石能源，實(shí)現(xiàn)能源的可再生循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)碳中和的*目標(biāo)。
汽車動力系統(tǒng)的電氣化和電動化，是交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和的必由之路，作為全球*的汽車半導(dǎo)體科技公司，英飛凌對于“零排放一定會實(shí)現(xiàn)” 這一觀點(diǎn)深信不疑，并致力于推動這一目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。
這里的“電氣化”是指各種模式的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)共存的混和動力系統(tǒng)，“電動化”則是指完全擺脫了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的電驅(qū)動動力系統(tǒng)。
在汽車“電氣化”和“電動化”的進(jìn)程中，各個*和地區(qū)、以及各個汽車制造商所選擇的路徑既大同小異，又殊途同歸。這里面既包含了像48V這樣的微混系統(tǒng)，也包含了全混，插電混動系統(tǒng)；既包含了以鋰離子電池作為能源載體的純電動汽車，也包含了使用氫作為能源的燃料電池汽車。
眾所周知，一個系統(tǒng)從功能上講我們可以把它抽象為：感知，計(jì)算，執(zhí)行，通信和供電五大部分。
本文將針對這五大部分的供電和執(zhí)行2個話題提出一些個人觀點(diǎn)和思考。
一 、整車供電系統(tǒng)中的供電電壓軌道
目前我們在乘用車中能夠看到的是12V、48V和高壓（400V/800V）三種電壓等級的供電系統(tǒng)。
在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)乘用車中，一直以來都是使用12V電源，與之相對應(yīng)的半導(dǎo)體產(chǎn)品也占據(jù)了很大一部分市場。根據(jù)一些國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測信息，單純由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車會在2030年左右退出市場。但是，考慮到12V系統(tǒng)成熟的零部件供應(yīng)鏈規(guī)模優(yōu)勢以及適合該系統(tǒng)應(yīng)用的半導(dǎo)體產(chǎn)品相對較低的成本優(yōu)勢，12V電源軌道應(yīng)該長期存在。屆時，DC-DC將徹底取代傳統(tǒng)12V交流發(fā)電機(jī)，成為12V系統(tǒng)中電池充電和負(fù)載供電的電源，由此帶來12V電源系統(tǒng)的一些特性的變化，比如拋負(fù)載等，作為與之對應(yīng)的電源標(biāo)準(zhǔn)可能會隨之做出相應(yīng)的調(diào)整。
48V作為一個安全電壓等級，由于較低的絕緣等級需求等因素，使其在混合動力系統(tǒng)上具有一定的性價(jià)比優(yōu)勢。隨著48V系統(tǒng)中供應(yīng)鏈的日臻完善，規(guī)模化生產(chǎn)帶來成本的降低，同時在不同高壓系統(tǒng)的整車中某些零部件標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)，幫助供應(yīng)商和整車廠降低了零部件管理成本。這樣不僅在微混系統(tǒng)的車輛中，在具有高壓系統(tǒng)的新能源車中也可能會導(dǎo)入48V電源軌道，使一些中功率（比如1kW到10kW之間的）負(fù)載運(yùn)行在48V電源系統(tǒng)中，由此帶來高壓（400V/800V）轉(zhuǎn)換為48V的DC-DC變換器應(yīng)用的閃亮登場。
由于同一車上三軌（HV，48V，12V）共存，基于整車電子電器架構(gòu)、功能安全以及成本的考慮，供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞降资鞘褂眉惺降碾妷恨D(zhuǎn)換還是分布式的電壓轉(zhuǎn)換，會根據(jù)整車廠的設(shè)計(jì)而定，DC-DC的功率等級和功能安全等級也都會有不同的需求。
二、 有關(guān)“執(zhí)行”
由上述提到的電源電壓三軌共存，帶來對于不同電壓軌道下的執(zhí)行器件的需求不同，也就是對于半導(dǎo)體功率器件的需求不同。不同的電壓軌道，對于半導(dǎo)體功率器件提出了不同耐壓等級的需求；不同的應(yīng)用，又對功率器件提出了不同驅(qū)動電流和不同開關(guān)頻率的需求。
48V電壓軌道集中了從1kW到10kW的功率等級的應(yīng)用。其中又以DC-DC和電機(jī)逆變器居多，從耐壓和功率等級考慮，這里是硅基MOSFET和GaN的主戰(zhàn)場。不過就目前來看，GaN在汽車電子中的應(yīng)用還有待一些時日。
下圖給出硅，碳化硅和氮化鎵功率器件各自對應(yīng)的一些應(yīng)用領(lǐng)域，供參考。
而關(guān)于高壓軌道下使用的功率器件，當(dāng)下最熱門的話題莫過于碳化硅（SiC）了。碳化硅功率器件以其低開關(guān)損耗、高耐壓、高工作溫度和高散熱能力等優(yōu)勢，使系統(tǒng)可以在更高的電壓和更高的頻率下工作，從而減小被動元器件的體積、降低系統(tǒng)功耗損失、并提升系統(tǒng)的功率密度。但是另一方面，目前碳化硅材料的器件在成本上和硅基器件相比存在一定的劣勢。綜合的結(jié)果，我們認(rèn)為在將來相當(dāng)一段時間內(nèi)，硅和碳化硅功率器件將會并存，在各自適合的領(lǐng)域發(fā)揮各自的長處。
根據(jù)英飛凌的分析和測試信息，使用碳化硅器件的動力系統(tǒng)與相同功率水平使用硅器件的動力系統(tǒng)相比，使用碳化硅器件的動力系統(tǒng)可以降低7.6%左右的功率損耗，這其中包括了電機(jī)驅(qū)動時的功率損耗降低和電機(jī)能量回收時的功率損耗降低兩大部分。
下圖是電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和扭矩下，使用硅基IGBT和碳化硅MOSFET時的功率器件功耗差別的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比。可以看到，在電機(jī)轉(zhuǎn)速2667rpm，輸出扭矩為553.3Nm時，硅基IGBT的功耗比碳化硅MOSFET的功耗小13%左右。
由此，我們大致可以得出硅基IGBT和碳化硅MSOFET在驅(qū)動逆變器中的應(yīng)用場景，如下圖所示：
采用硅基IBGT和碳化硅MOSFET共用的“Hybrid”方案，可以充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短。使用硅基IGBT驅(qū)動的電機(jī)，可發(fā)揮大電流下功率損耗低于MOSFET的優(yōu)勢，主要提供大扭矩輸出，體現(xiàn)整車加速性能；而使用碳化硅MOSFET驅(qū)動的電機(jī)更多地工作于巡航工況，提升能源利用效率。從而達(dá)到兩頭兼顧，魚和熊掌兼得。
這可以使車輛在保持相同續(xù)航里程的同時，降低電池容量，從而降低電池成本，對于導(dǎo)入碳化硅功率器件所帶來的成本增加做一些補(bǔ)償。同時，電池容量的減少和逆變器功率密度的提升，也可減輕車輛的重量，并提高整車能源的利用效率。
