SiC 助力可持续交通 - 赋能陆上、空中、水上和铁路的工业电动交通

SiC 助力可持续交通

赋能陆上、空中、水上和铁路的工业电动交通

紧随电动汽车的采用，全新交通市场正逐步向电动交通过渡，旨在实现未来可持续发展与碳中和。从商用电动汽车到先进的空中交通、长途船舶和高速列车，全新的电气化车辆概念正在世界各地展露头角。但怎样才能实现工业电动交通？SiC 技术的最新创新成果能够提供可靠、高效且具有成本效益的能量转换与传递。

作者：Alexis Bryson 博士 - Wolfspeed 市场传播经理；

Muzaffer Albayrak - Wolfspeed 战略市场开发专家

“e-mobility 电动交通”也称为“电动车辆”或“电动出行”，指的是使用电力推进来驱动车辆。车辆逆变器中采用 SiC 等宽禁带半导体来管理从能量来源（例如电池或氢燃料电池）到电动机的电力传输。尽管“电动交通”与乘用电动汽车 (EV) 联系最为紧密，但 Wolfspeed 将其扩展到“工业电动交通”，以纳入在所有类型电动平台上运行的各种陆上、空中、水上和铁路应用。

虽然一些工业电动交通细分领域（如电动垂直起降飞行器 eVTOL）正逐步兴起，但其他领域（如电气铁路）已然非常成熟。每个细分领域的制造商都在致力于从传统的机械解决方案过渡到电气化系统，帮助提高功率、提升效率，并减少交通过程中产生的二氧化碳 (CO2) 排放。

在所有交通细分领域，车辆电气化的比例都有所增长。目前，19% 的电动汽车[1]、超过 10% 的建筑及农用车辆[2]、1-2% 的水上交通工具[3]以及 45% 的飞行器[4]都完全或部分实现了电气化。2023 年至 2030 年，以下细分领域的复合年增长率均有所增长：电动汽车为 20%[5]、建筑及农用车辆为 21.5%[6]、水上交通工具为 12.7%[7]、飞行器为 13%[8]。

图 1：陆上、空中、水上和铁路市场中的

工业电动交通应用示例

转向工业电动交通

促使迅速且广泛地向车辆电气化转变的驱动因素有两个。

驱动因素 1：全球减排目标

交通运输每年产生约 7.6 Gt 二氧化碳[9]，占全球二氧化碳排放量的 20%，这主要源于内燃机 (ICE) 车辆燃烧柴油和汽油。尽管主要排放来自乘用车和货车，但货运、航运、航空和铁路都对总体环境产生了影响。

因此，为了遏制排放、加速制造可持续交通工具，世界各国政府正在实施愈发严格的法规（并推出新的激励措施）。这些法规侧重于减少特定交通细分领域的温室气体排放。例如，美国环境保护署 (EPA) 的“清洁卡车计划”、欧盟的 PE-CONS 60/19 以及中国的“国六标准”，都为新的轻型和重型建筑及农用车辆设定了二氧化碳排放性能标准。

此外，国际海事组织已实施相关法规，旨在减少船舶的温室气体排放，包括海洋环境保护委员会第 80 届会议 (MEPC 80)，该会议设定了将国际航运二氧化碳排放量减少 40% 的目标[10]。船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index）规定了不同船型和大小的船舶的最大能效水平。相较于 2000 到 2010 年的平均二氧化碳排放量，这相当于 2025 年新建船舶的二氧化碳排放量减少 30%[11]。国际民用航空组织、欧盟航空安全局、美国联邦航空局和中国民用航空局等其他组织都为飞机设定了相关排放标准。

为了减少排放并遵守此类法规，工业电动交通市场重点基于电气化的优势：能效和零排放。

驱动因素 2：功率半导体领域的创新

工业电动交通应用需要可靠且高效的解决方案，来管理苛刻环境条件下的高电压和高电流。相较于 Si，SiC 器件可以在更高的温度下工作，可实现更高的开关频率、更高的功率密度，而这些都是大功率工业电动交通应用所必需的。

制造商可借助 Wolfspeed 符合车规认证 (AEC-Q101) 的 SiC MOSFET，着手从内燃机向电动汽车过渡。自 2019 年开始，Wolfspeed 陆续发布大功率 SiC 功率模块（包括 Wolfspeed 的 XM3 产品系列），实现了直流快速充电桩在 4 分钟内充满电，使得电动汽车对消费者更具吸引力、价格上也更负担得起。通用汽车 (General Motors)、Lucid Motors、捷豹路虎 (Jaguar Land Rover)、梅赛德斯 (Mercedes) 、以及其他汽车 OEM 厂商继续宣布针对下一代电动汽车的重大电气化计划（包括从 400 V 向 800 V 配电架构过渡）。最先进的工业电动交通应用紧随这些发展之后，依靠 SiC 的技术创新，来提供更高的功率密度、更高的系统效率和更长的续航里程，并带来更低的系统成本和长期可靠性。

工业电动交通案例研究：电动水上交通工具

我们来仔细探究下 SiC 所带来的诸多优势，了解这些优势是如何推动水上摩托艇、游艇、客运渡轮、水上的士、港口船舶、货船、油轮和潜艇等电动水上交通工具得到全新发展的。

专为实现高功率密度打造的半桥功率模块

Wolfspeed 开发的 XM3 功率模块平台最大限度利用 SiC 优势，同时保持模块和系统设计的稳固、简单和成本效益。XM3 功率模块的重量和体积仅为标准型 62 mm 模块的一半，从而实现功率密度的最大化，同时尽可能地降低回路电感和简化电源总线。优化型封装可实现在 175°C 结温下连续工作，高可靠性氮化硅 (Si3N4) 功率基板确保了在极端条件下的机械强度。XM3 特别适合工业电动交通主逆变器等要求苛刻的应用。

图 2：Wolfspeed XM3 SiC 功率模块

表 1：Wolfspeed XM3 SiC 功率模块系列

在水上交通工具采用的主逆变器中，XM3 功率模块可实现显著的系统级优化。通过将 200 kW（搭载 CAB400M12XM3）逆变器转用 300 kW（搭载 CAB450M12XM3）逆变器，设计工程师可在不增加系统尺寸的情况下提高功率密度。

表 2：200 kW 与 300 kW SiC 逆变器比较

我们使用了 200 kW 三相逆变器参考设计（搭载 XM3 功率模块的 200 kW 三相逆变器 | Wolfspeed）来比较 SiC 功率模块与 Si IGBT。

图 3：Wolfspeed 200 kW XM3 三相逆变器

该逆变器设计具有完整的层叠，包括模块、冷却、总线、栅极驱动器、电压/电流传感器和控制器，并可与 Wolfspeed 的 SpeedFit 设计仿真工具（SiC 和 GaN 解决方案 SpeedFit 设计仿真器 | Wolfspeed）和功率应用在线讨论平台（Wolfspeed 功率应用在线讨论平台）结合使用。

a) 比较效率与输出功率

（使用 Wolfspeed 的 200 kW 三相逆变器）

b) 比较逆变器损耗与输出功率

（使用 Wolfspeed 的 200 kW 三相逆变器）

图 4：比较用于水上交通工具 800 V 主逆变器的 

Wolfspeed 200 kW SiC 功率模块 CAB400M12XM3 

与 200 kW Si IGBT 的仿真效率和开关损耗

总体而言，在重量更轻、体积更小的系统中，SiC 可实现更大的功率、更高的效率、更低的开关损耗和更高的开关频率。

将工业电动交通中的“一切”都实现电气化

除了纯电动汽车 (BEV) 的主逆变器和燃料电池电动汽车 (FCEV) 的燃料电池逆变器外，工业电动交通应用还可在电池管理系统 (BMS)、辅助电源、辅助电源驱动器、泵和风扇执行器（HVAC 系统）以及车载充电机中集成电力电子器件。相较于内燃机汽车，每个实现电气化的系统都可进一步减少机械部件的数量，从而可实现更高的效率、更轻的重量和更低的总拥有成本。

图 5：工业电动交通应用中的电力电子系统

这些电气化系统能够节省整个系统的能量使用，减少排放，并通过低损耗、高功率密度、高可靠性和鲁棒性延长使用寿命。但工业电动交通应用的工作环境（包括温度波动、振动、高湿度和恶劣气候等）会影响系统最大限度地从电气化中所获得的益处。

例如，除了主逆变器外，水上交通工具还可能集成电动升降机、起重机、起锚绞车和自动化系统。

图 6：可从 SiC 器件获益的水上交通工具中的

电力电子系统示例

非公路陆地交通工具（如小型叉车、消耗兆瓦级能量的矿用卡车）中的许多系统也可实现电气化。例如，可通过控制和向辅助功能分配电力来减少重型建筑及农用车辆中主逆变器的负载。低功率逆变器可取代现有采用机械方式驱动的系统，如风扇、泵、执行器 (HVAC) 和热管理系统。

先进的空中交通应用可集成一系列体积更小、效率更高的电子系统，从而可在尺寸、重量和功率 (SWaP) 比率至关重要的交通工具中，减轻重量并节省空间。电动扰流板控制器、固态功率控制器、断路器、除冰系统和绿色滑行系统都是此类交通工具中的关键系统。通过在此类辅助系统中集成电力电子器件，可实现更轻的系统重量和更小的系统尺寸，从而延长续航里程和/或提高载货容量。

区域、地铁和高速铁路应用在高电压下运行，将电网分配的电力输送到架空（或轨下）线路。列车也可在电池和电网设计中并入电力系统，用于车门控制、制动和能量回收。所有这些系统都需要可靠且高效的功率半导体来提供和管理电气开关。SiC 是电压等级方面同类最佳的技术，不仅可满足主逆变器之需，还可满足工业电动交通应用中必不可少的各种辅助电源和驱动器之需。

工业电动交通未来所面临的挑战

能量来源和基础设施是工业电动交通未来所面临的两大挑战。所有电动汽车都需要能量来源，最常见的来源是电池或氢燃料。业界已认识到，对这两种能量来源的需求正在日益增长。根据国际能源署 (IEA) 发布的数据，2023 年至 2030 年，电池产量将增长 400%[12]，制氢量将增长 18% 以上[13]。

除了需要更多数量的电池外，工业电动交通还需要更强大的电池，以在相同空间内获得所需的能量密度（即每千克更多的瓦时）。功率密度较高的电池更适合采用更大功率逆变器的交通工具，如重型建筑车辆和货船。对于工业电动交通的未来而言，这些电池和氢市场的发展至关重要。

大功率充电站、电网容量和加氢站等基础设施同样至关重要。

区域和地方政府正在投资充电站，以促进电动汽车普及，但扩大、扩展和维护高效、快速、大功率的充电基础设施是一项艰巨的任务。对于电动汽车，这意味着路边超级充电桩。对于长途卡车，这意味着兆瓦级充电系统 (MCS) 技术。对于区域公共汽车，这意味着公交场站充电。对于船舶，这意味着在港口充电。对于飞机，这意味着可在垂直起降机场充电。

图 7：可再生能源可为即将在垂直起降机场和港口部署的

大功率充电基础设施提供支持

Wolfspeed 对行业的长期愿景

Wolfspeed 正在引领从 Si 到 SiC 的转型，通过提供越来越多的产品组合（从 2 kW 以下到兆瓦级范围）并满足广泛的电压、电流和隔离要求，为行业赋能。

从现在起至 2027 年，我们预计 SiC 器件市场的很大一部分将来自工业和能源应用，其中包括工业电动交通。

图 8：Wolfspeed 在 SiC 材料和器件方面拥有诸多创新，

已为许多不同市场赋能，

包括推动工业电动交通的发展[14]

35 年来，Wolfspeed 一直专注于生产垂直集成 SiC 晶圆和高品质功率器件，不断履行自身使命，为节约世界能源作出贡献。迄今为止，Wolfspeed 制造的 SiC 占全球 SiC 产量的 60% 以上，我们的 SiC 器件现场工作时长已超过 12 万亿小时，业务支持遍布全球。Wolfspeed 可直接与制造商合作，开发针对工业电动交通应用特定要求进行优化的高性能碳化硅产品。

Wolfspeed 正在扩大产能，以满足市场对可靠、高效能量转换和功率传输解决方案需求的激增。2022 年，我们在纽约州马西开设了全球首座且最大的 200 mm SiC 制造工厂。这座先进的功率晶圆厂将满足车规级认证，并已开始出货 MOSFET。我们还在北卡罗来纳州达勒姆总部扩建材料工厂，同时将在北卡罗来纳州赛勒城建设材料制造工厂，并计划在德国萨尔州建立世界上最先进的 SiC 器件制造工厂，从而对于我们的产能加以补充和完善。对于支持工业电动交通应用的快速增长、满足世界各国的气候目标，以及实现可持续的电气化，这些投资确有必要。

参考文献：

[1] EV expansion means new prospects for silicon carbide | McKinsey

[2] Global Truck, Bus and Off-highway Vehicle Electrification and Alternative Fuel (Free Report) - Interact Analysis

[3] https://www.idtechex.com/en/research-report/electric-boats-and-ships-2017-2027/509

[4] https://www.nrel.gov/docs/fy22osti/80220.pdf

[5] EV expansion means new prospects for silicon carbide | McKinsey

[6] https://www.fnfresearch.com/off-highway-electric-vehicle-market

[7] https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/electric-boat-and-ship-market

[8] https://marketresearchcommunity.com/electric-aircraft-market/?gad=1&gclid=CjwKCAjwqZSlBhBwEiwAfoZUIFbn7za7Rn-DX9M6SUwd5IC6WFMRhE8Qig0qAuZsRfeq9m4QgeVOOxoC7QcQAvD_BwE

[9] Transportation emissions worldwide - statistics & facts | Statista

[10] 2023 IMO Strategy on Reduction of GHG Emissions from Ships

[11] www.sustainable-ships.org

[12] World Energy Outlook 2022 – Analysis - IEA

[13] Global Hydrogen Review 2023 – Analysis - IEA

[14] Chart based on Yole Power SiC 2023 Market and Technology Report and Wolfspeed innovation timeline

该篇文章同时发表在

《Bodo's 功率系统》2024 年 3/4 月刊

▲ 企业宣传视频：Wolfspeed SiC 助力梦想者改变世界！

关于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码: WOLF）引领碳化硅（SiC）技术在全球市场的采用。我们为高效能源节约和可持续未来提供业界领先的解决方案。Wolfspeed 产品家族包括了 SiC 材料、功率器件，针对电动汽车、快速充电、可再生能源和储能等多种应用。我们通过勤勉工作、合作以及对于创新的热情，开启更多可能。了解更多详情，敬请访问 www.wolfspeed.com。