一文解析SiC功率器件在充电桩电源模块中的应用

导读

随着我国新能源汽车市场的不断扩大，充电桩市场发展前景广阔。SiC材料的功率器件可以实现比Si基功率器件更高的开关频繁，可以提供高功率密度、超小的体积，因此SiC功率器件在充电桩电源模块中的渗透率不断增大。

充电桩市场发展广阔

我国充电市场先期以商用车为主，集中式充电站建设占主导；伴随着乘用车销售放量，分散式充电桩快速增加。2015-2020 年国家规划新增充电站1.2 万个、新增充电桩480 万个，2020 年规划车桩比约为1:1。根据《电动汽车充电基础设施发展指南（2015-2020 年）》，到2020 年全国电动汽车保有量将超过500 万辆，根据各应用领域电动汽车对充电基础设施的配置要求， 2020 年全国规划车桩比基本为1：1。当前我国公共充电桩保有量居全球第一，乘用车放量驱动私人充电桩占比提升，但整体建设进度仍落后于规划水平。截至2018 年9 月底，我国新能源汽车保有量达221 万辆，充电桩总量为68.6 万个，车桩比约为3.31：1，仍显著落后于规划水平。

我国新能源汽车保有量及车桩比

充电桩设备制造市场竞争激烈

充电桩设备制造市场较为分散，规模大小不一，主流品牌多由电力设备制造企业拓展产品线而来。我国充电桩设备制造商包含品牌商和代工商。其中充电桩品牌商众多，主流设备制造商的产业背景主要是电力电源设备制造、电力供应、电子类产品企业，这部分企业大多人才、技术基础比较雄厚，研发、制造、服务体系比较完善。另外，特锐德、万帮充电、科陆电子、万马新能源和比亚迪等公司也同时经营充电桩设备制造业务，业务线覆盖“设备生产-建设-运营”多个环节。

充电模块价格大幅下行

充电模块系充电桩重要组成部件，其成本占设备总成本的50%，是核心部件。充电桩模块可将电网中的交流电转换为可充电的直流电，它的工作原理是当三相交流电经由整流滤波后，变成直流输入电压供给IGBT 桥。控制器通过驱动电路作用于IGBT，使直流电压又转换为交流电压。接着，交流电压经高频变压器的变压隔离，再次经整流滤波得到直流脉冲，进而对电池组充电。充电模块不仅能够提供能源电力，还可以对电路进行控制、转换，保证供电电路的稳定性。

国内充电模块市场参与者众多，其中大型厂商多来自于艾默生-华为电气团队，包括通合科技、英可瑞等。国内充电电源系统和成套设备厂商众多，其中自主生产电动汽车充电电源模块的厂商主要有通合科技、英可瑞、英飞源、凌康、华为、中兴等公司。

目前通合科技生产的电源模块主要客户包括鲁能智能、国电南瑞、国网普瑞特等知名电力设备厂商以及宇通客车、福田汽车等大型整车制造商；英可瑞主要客户为华商三优、和信瑞通和珠海泰坦科技股份有限公司等；中恒电气也拥有大功率转换模块的核心技术，多服务于公司本身的充电桩设备制造。

充电桩模块功率快速上升、价格大幅下降，中小型模块生产商逐步边缘化。随着动力电池和整车的技术进步，新能源汽车续驶里程增长趋势明显，充电桩模块的功率也随之快速上升。因此充电模块企业技术竞争更加激烈，近年充电模块价格大幅下滑，由之前的0.4元/W 下降至0.2 元/W，很多中小型模块生产商逐步边缘化，处于观望、甚至准备退出市场竞争的状态。

SiC器件在充电桩设备中的应用加速

以直流充电桩为例，据CASA测算，电动汽车充电桩中的SiC器件的平均渗透率达到10%，2018年整个直流充电桩SiC电力电子器件的市场规模约为1.3亿，较2017年增加了一倍多。

由于SiC材料的晶体管可以实现比硅基功率器件更高的开关频繁，因此可以提供高功率密度、超小的体积。体积要小同时还要能支持快速充电。几台车一起快速充电需要达到几百KW的功率,一个电动汽车充电站更是要达到百万W的功率，相当于一个小区用电的功率规模。传统的硅基功率器件体积大，但SiC模块则可以实现很小的体积满足功率上的要求。

下图为特锐德公司SiC器件简化充电模块的功率拓扑图，可以看出，传统的Si方案在器件使用数量上远超于SiC方案。

SiC器件简化充电模块的功率拓扑图

但使用SiC器件也有相应的设计难点：1、寄生参数影响：SiC器件本身寄生参数较小，PCB、器件布局时寄生参数的作用明显；2、SiC器件驱动设计：SiC器件在高频工作时，驱动电路功耗、速度、保护设计的复杂性；3、高频EMI问题：SiC器件高频化引起严重的EMI问题，需要兼顾开关虚度与EMI指标的平衡；4、可靠性：SiC-MOSFET的栅氧层的长期应用的可靠性问题。