碳化硅在氢燃料电池汽车中的应用

喜获订单

去年8月，中车发布了一则合作新闻：中车电动喜获上汽捷氢 400 套订单，并宣布称，这是国内首个商业化应用的 SiC 大功率燃料电池 DC/DC 变换器。

据中车电动总工程师汪伟介绍，该产品用于氢燃料电池汽车，具有“超高频”“高耐压”“低导阻”特性。当前，同类产品主要采用以传统硅基材料 IGBT，受材料限制，硅基器件特性已接近极限。

而基于宽禁带半导体(碳化硅)研制的产品，为氢能汽车燃料电池 DC/DC 变换器带来革命性的创新。开关频率高、功率密度大是产品最为显著的优势，相比传统基于 IGBT 模块变换器产品，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%。
而大功率燃料电池 DC/DC 变换是碳化硅在氢燃料电池系统中的一处应用。

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氢燃料电池汽车中的碳化硅应用不止于此

氢能源称为人类社会的“终极能源”，以氢燃料电池驱动的汽车，行驶过程中没有污染，只生成水。燃料电池汽车相比电动车在低温性能、加注时间、续航里程等方面具有 强劲的竞争优势。随着碳排放压力的日益增大，交通运输领域主要用锂电池、燃料电池等新能源产品替代传统燃油发动机以缓解碳排放带来的 环境压力。

燃料电动车相比锂电池车，在低温性能方面（-30℃低温自启 动），加注时间方面（商用车 15 分钟）和续航里程方面（>500km）具 有非常强劲的竞争优势，这些优势决定着燃料电池车在商用车等领域具备极具竞争力的优势。

在电动车中，碳化硅的主要应用是在电驱动系统、OBC和DCDC中，那么在氢燃料电池的系统下，如果要看碳化硅的具体应用，我们也要先了解下燃料电池发动机系统。

典型燃料电池发动机系统

氢燃料电池，是一种利用电解水的逆反应将氢气、氧气转化为水并放出能量的过程，燃料电池系统由电堆和BOP（Balance of Plant）构成。燃料电池BOP为电堆稳定运行提供了必要的外部环境，包括空气系统、冷却系统、增湿系统、功率输出控制等部分组成。空气系统占BOP总成本的40%，其功耗约占BOP总功耗的80%，空压机的功率配置是燃料电池系统功率的20%左右，因此提高空压机效率，降低成本是设计的重要目标。

其中，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，在其他条件相同的情况下，一个与燃料电池系统匹配程度高的空气压缩机往往能直接提升燃料电池的整体性能。目前主流的离心式空压机，是通过旋转的叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能。燃料电池用离心式空压机具有“三高”属性：

1）高转速。为了获得高压比和高功率密度，需要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，也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。

（2）高性能。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。

（3）高效率。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，高速电机因损耗密度的增加给转子散热带来较普通电机更大的难度，影响电机性能和寿命。

上述“三高”属性给离心式空压机系统及其电力电子驱动器带来了巨大的技术挑战。

当前，硅基器件普遍应用于电机驱动，但高速电机需要寻找一种更好的解决方案。在燃料电池应用中，高速空压机电机定子电感量小，由于硅基控制器开关适用频率较低，产生较大的电流纹波，波形质量、效率和控制稳定性不能很好满足燃料电池的高速电机应用。

随着碳化硅等宽禁带半导体的出现及应用，更好的解决了这个问题，碳化硅具有“高频”、“高耐压”、“低导阻”特性，使功率半导体控制装置获得更高的开关频率、更高的效率和更小的体积，有助于燃料电池的高压辅助系统提升功率密度和集成度。也正是由于特殊的性能，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。

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有优势也有痛点

燃料电池发动机的高压辅助系统往往因功率半导体器件的开关造成复杂且具挑战的电磁兼容属性。在采用碳化硅方案后，虽然各方面性能表现卓越，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

为了做好电磁兼容，燃料电池产业链企业付出了巨大努力，但当前能够通过高等级EMC认证的产品并不多。即便通过了标准认证，在批量生产时又因器件参数差异和工艺偏差，造成电磁兼容水平不稳定，甚至不达标，装车后存在电磁安全隐患。因此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，相比工业和家电领域，汽车零部件EMC标准中增加了传导发射电流法和150kHz~30MHz杆天线辐射发射，这两项通常是汽车产品EMC认证的难点。

电流法需要检测高压线束屏蔽层中的电流，这就要求控制器在完成功率转换任务的同时，还要将线束及其屏蔽层内的共模电流控制在极低的水平。这就像在图书馆中射击，既要用火力有效摧毁目标完成任务，又不能发出声音干扰别人。碳化硅器件形成了更大的瞬变能量，无疑将EMC难度推高了一个数量级。

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相关企业进展

除上文提到的中车在SiC 大功率燃料电池 DC/DC 变换器领域的国产替代进展，上海的致瞻科技作为碳化硅先进电能转化系统的创新者，近年来在燃料电池系统关键部件领域取得快速成长。尤其在电磁兼容（即EMC）方面，致瞻科技碳化硅控制器率先突破了行业技术壁垒，通过IEC CISPR25 Class 3高等级电磁兼容认证，且支持客户“盲抽盲测”、“即插即测”。

致瞻科技提供的电磁兼容解决方案是：EMC正向设计，精准优化。

首先是EMC建模，从时域到频域正向建模方法；在EMC优化上，一是源头降噪，包括频域特性分析、功率回路最小阻抗设计、软件算法降噪等；二是EMI滤波设计，包括磁芯、电容高频建模、特定频域组合设计、高频振荡抑制等；三是结构设计优化，包括立体式磁场屏蔽设计、抑制传导与辐射之间、电磁耦合等。

为更好的验证理论分析和设计的正确性，致瞻科技建立了高规格的EMC实验室。在先进试验手段的帮助下，产品的实验结果与理论分析相互验证，在理论引导下进行快速试验迭代，达到预期结果，实现了正向开发。
在供应端，国产碳化硅模块企业，也取得了一定的进展。

成立于2019年的利普思半导体，也在去年对外宣布，作为致力推动高功率密度碳化硅模块研发与产业化的高科技公司，在燃料电池行业已经成功开发出针对DC/DC和空压机控制器的产品，并已经开始批量交付于国内主流系统企业。

利普思半导体的碳化硅模块有三大显著特点：

第一，公司模块产品设计之初就是满足国内客户进口模块降本需求，除了管脚直接兼容进口产品，性能上也做了大幅提升，具体表现就是可靠性和低寄生电感。

第二，针对中小功率部分使用分离器件的客户，客户存在很多挑战，比如多单管并联的均流问题，器件一致性筛选难度，生产组装工艺复杂和功率密度偏低等问题，公司为解决这些痛点，推出了免焊模块解决方案，同时系统成本优于客户目前使用单管方案。

第三，利用积累的技术优势，公司已经在为国内的特定客户开发定制化的模块解决方案，目标是满足2024年补贴结束后系统成本和功率密度要求。

“我们的目标是在燃料电池这一细分领域的市场占有率达到60-70%，成为国内碳化硅模块技术的优势企业”。利普思半导体表示。

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写在最后

纵观全球，近年来中国燃料电池汽车产业后来居上，发展迅猛。燃料电池车为代表的交通领域是氢能初期应用的突破口与主要市场。可以观察到，2017年以来中国燃料电池产业后来居上，从 2017 年末 50 辆增长到 2021 上 半年末的 8440 辆，不到四年时间增长了 168 倍。

十四五期间，燃料电池车及加氢站有望迎来大 面积推广。截至 2021 年末，首批燃料电池汽车五个城市群名单全部发 布，分别为京津冀示范城市群（北京牵头）、上海示范城市群（上海牵头）、 广东省示范城市群（佛山牵头）、河南省示范城市群（郑州牵头）和河北 省示范城市群（张家口牵头），行业进入落地实施阶段，根据披露统计， “十四五”期间五大城市群车辆推广目标预计分别为 1.63、1.65、1.56、 2.45、1.79 万辆，加氢站推广目标分别为 136、140、120、172、174 座。

2025 年国内燃料电池汽车保有量有望达到 10 万辆， 2030 年预计达到 100 万辆。根据中国汽车工业协会统 计，2021 年全国燃料电池汽车产量为 1790 辆，销售量为 1596 辆，同 比分别增加 49%和 35%。市场空间巨大。期待碳化硅在氢燃料电池领域绽放光彩！

来源：碳化硅芯观察