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车载充电机对碳化硅功率器件的市场需求

发布于：2022-12-07 10:28:07 来自：电气工程/风力发电技术 [复制转发]

知识点：车载充电机

一．何谓车载充电机

车载充电机 (On-Board Charger ， OBC) 是固定安装在电动汽车上的充电机，输入交流电（例如家用 220V 交流电），车载充电机将该交流电转换为直流电，给动力电池充电，实现新能源汽车动力电池的安全自动充电。由于冷却方式不同，车载充电机，主要可分为两种形态如下图。

目前，市场上的 OBC 主要是在 400V 电池平台上工作，主流的功率等级是 3.3kW 和 6.6kW 。由此来看，由于纯电动汽车的电池较大， OBC 要能提供较大的输出功率，而插电式混合动力汽车的电池较小， OBC 应提供较小的输出功率。那么，具体来说， HEV 和 PHEV 的 OBC 功率为 3.3 kW ，通勤 BEV 为 6.6 kW ，卡车 BEV 为 11 kW ，高性能车和商用车辆为 22 kW 。

自 2021 年开始，国内车企纷纷布局 800V 快充技术，国内 800V 高压快充行业进入发展加速期。为了配合高压系统， OBC 的功率范围也要进行相应的提升。随着整车平台高压化、快充技术的成熟， OBC 的额定输出功率便往 11kW 和 22kW 发展。

二．在车载充电机中导入SiC的优点

OBC 作为新能源车的核心部件之一，其效率、功率密度等参数对新能源车充电时间和续航里程具有一定影响。在保证系统可靠性和稳定性的前提下，更高的功率密度对减轻整车重量，提升整车续航里程具有积极推动作用，更高的效率对于缩短充电时间具有积极意义。

使用传统 Si 基功率半导体作为核心功率器件的 OBC 在效率和功率密度上已经达到瓶颈，继续使用 Si 基半导体已无法较大幅度提升 OBC 的效率和功率密度。而 SiC 功率器件具有高频、高效率的特点，在 OBC 上使用 SiC 功率器件对于提升 OBC 的效率和功率密度有较大帮助。

导入 SiC 功率器件能为车载充电机带来众多优点，首先是成本，采用 SiC 功率器件可减少 DC/DC 模块中大量的栅极驱动和磁性元件，因此，尽管 SiC 功率器件的成本比单个 Si 基功率器件的成本更高，但采用 SiC 方案的车载充电机整体上可节约 20% 左右的成本。然后是体积，采用 SiC 技术，双向车载充电机体积可减小 20% 以上，节省了汽车内部空间，整车系统更容易实现多合一小型集成化。最后是效率， SiC 方案的双向车载充电机比普通双向的车载充电机效率高 2%-3% ，采用全 SiC MOSFET 方案的 22 kW 双向车载充电机，开关频率则提高一倍以上， SiC 系统在 3kW/L 的功率密度下可实现 97% 的峰值系统效率，而采用 Si 基方案的车载充电机仅可在 2kW/L 的功率密度下实现 95% 的效率，这一系统效率的提升可为消费者节约每年 250 元左右的能源。

三．国内主流的车载充电机企业

根据 NE 时代公布的数据， 2021 年新能源乘用车装机量为 288.7 万套，下表所列企业为国内年销量前 10 名的车载充电机企业，这 10 家企业车载充电机的装机量累计超过 90% 的市场份额，其中前 4 家企业市场占有率累计为 59% ，均在 10% 以上。这些车载充电机企业合作的车企和应用的车型在表 1 中已列出，包括新势力车企如理想、小鹏、零跑、蔚来等，也有比亚迪、上汽、吉利、长安、北汽、广汽、一汽等传统车企。

四．国内导入SiC的车载充电机企业

许多电源类供应商已在车载充电机产品中导入 SiC 功率器件，目前，部分第三方生产商已具备 SiC 电源产品的量产能力， SiC 功率器件在 6.6kW 及更高功率的车载充电机产品中被较为充分的应用，具体情况如表 2 所示。

五．SiC功率器件在车载充电机市场的需求估算

车载充电机分为单向车载充电机和双向车载充电机。单向车载充电机利用电网电能给新能源车的蓄电池组充电，功率单向流动。双向车载充电机的功率双向流动，能利用电网电能给新能源车充电，还能将新能源车电池的电能回馈到电网。

单向车载充电机和双向车载充电机均为两级结构，一级为 PFC 电路（ AC-DC ），二级为 DC/DC 级，两部分电路均需要用到功率器件。

图 3 、图 4 分别是 PFC 级单向充电和双向充电的拓扑图，适用功率等级为 2.3 kW 到 22 kW ， PFC 级单向充电时用到 2 颗 MOSFET 和 6 颗 SBD ，双向充电时用到 6 颗 MOSFET ，且不需使用 SBD 。上述 Si 基功率器件均可根据应用需求替换为 SiC 功率器件。

图5是DC/DC级的单向充电拓扑图，适用功率等级为2.3 kW 到 22 kW，单向充电时用到4颗MOSFET和4颗SBD，DC/DC级双向充电时用到8颗MOSFET。上述Si基器件均可根据应用需求替换为SiC器件。

以上情况所用功率器件的颗数，可以简化为下表：

由于车载充电机的市场需求与电动汽车的销量密不可分，因此，在估算 SiC 功率器件在车载充电机市场的需求之前，需要先估算国内电动汽车的销量。根据乘联会官网公布的国内电动汽车销量数据，对 2022 年到 2025 年的国内电动汽车的销量进行预测，结果显示 2025 年国内电动汽车的销量预计超过一千万辆，由此可见，国内电动汽车市场的发展空间非常广阔。随着电动汽车行业快速发展，车载充电机的应用也会越来越广泛。

目前电动汽车市场上仍然以 400V 的电压平台为主，单向车载充电机的市场占有率超过 70% 。对于车载充电机而言，单相车载充电机受交流电进线电流限制，最大功率只能到 6.6kW 。在市场需求的驱动下， 2022 年 -2025 年 SiC 功率器件在国内电动汽车的车载充电机中的普及率会逐年增长。以国内电动汽车的销量作为车载充电机数据预测的考量，综合SiC 功率器件在国内电动汽车中的普及率，预测出2022年-2025年在车载充电机行业中 SiC 功率器件的市场规模。由图7得知，2022年-2025年SiC SBD和SiC MOSFET会用到的6英寸晶圆片数量逐年增加，相应的，2022年车载充电机所用的 SiC 功率器件的市场规模预计超过8亿元人民币，2025年超过30亿元人民币。

六．总结

为了满足消费者对新能源车快速充电的诉求，提高市场竞争力，车企纷纷布局 800V 快速充电，电压升高，车载充电机的功率也要升高，目前市面上车载充电机主流的功率是 3.3kW 和 6.6kW ，车载充电机的功率有向 11kW 和 22kW 发展的趋势。比起 Si 基功率器件，车载充电机导入SiC基功率器件可以降低成本、减小体积、提高效率，因此，越来越多车载充电机企业在车载充电机中导入SiC 功率器件。

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