當前SiC單管器件價格已經(jīng)比較親民，在多合一電機驅(qū)動控制器已逐步具備商用價值，如OBC、DCDC等對晶圓面積要求不高的場景已逐步批量上車，對磁元件而言，將提出哪些新的要求?面臨哪些技術(shù)難點?磁元件企業(yè)是否已經(jīng)做好準備?

2023年11月24日，2023’(第三屆)中國電子熱點解決方案創(chuàng)新峰會(以下簡稱“電子峰會”)落下帷幕。

本屆電子峰會以“聚焦新能源，蓄勢謀新篇”為主題，眾多行業(yè)大咖聚焦800V高壓超充&光儲逆變器技術(shù)創(chuàng)新論壇、鋰電BMS技術(shù)創(chuàng)新論壇、數(shù)字電源& 5G基站電源技術(shù)創(chuàng)新論壇三大熱門主題開展前沿探討與技術(shù)分享，本文節(jié)選自億率動力產(chǎn)品副總裁唐志《持續(xù)創(chuàng)新的充電與驅(qū)動技術(shù)助力電動車快速發(fā)展》和小鵬汽車功率電子總監(jiān)陳皓《高性能800V碳化硅逆變器開發(fā)》相關(guān)主題演講及采訪，共同探討電機驅(qū)動控制器未來發(fā)展趨勢及對磁元件的要求。

首先，我們先簡單看兩款億率動力提到的多合一電機驅(qū)動控制器~

產(chǎn)品一：雙逆變多合一電機驅(qū)動控制器

電機驅(qū)動、直流充電、交流充電三合一電機驅(qū)動控制器，采用雙逆變器+開繞組電機，在現(xiàn)有400V核心零部件的條件下，實現(xiàn)800V高壓的動力輸出和大功率高壓快充，并具備雙向OBC，可靠性高且成本低，目前已完成初步臺架測試，正與主機廠進行裝機聯(lián)調(diào)。

雙逆變多合一電機驅(qū)動控制器，圖片來源：億率動力

億率動力這款三合一電機驅(qū)動控制器設(shè)計思路是由兩個400V 電池包對兩個逆變器進行供電，驅(qū)動開繞組電機，雙逆變器帶來的好處就是可以不用SiC器件，采用普通 650 V/700 V的IGBT模塊即可搭建800 V系統(tǒng)，在現(xiàn)有系統(tǒng)中小幅改動即可實現(xiàn) 800 V高壓動力輸出和大功率高壓快充，同時舍棄了傳統(tǒng)的隔離OBC，采用AC Changing Port減少元器件用量，縮小產(chǎn)品體積，從而節(jié)省整體系統(tǒng)成本。

目前，SiC器件，尤其是SiC模塊成本較高，而這款三合一電機驅(qū)動控制器設(shè)計方案的另一特點就是利用電機繞組(電感)和兩個逆變器搭載等效Boost電路，實現(xiàn)電池串聯(lián)800V充電，不像市面上多數(shù)方案要額外增加一個Boost電路，實現(xiàn)了低成本、結(jié)構(gòu)更簡化的800V兼容400V方案。而如果不需要V2G，單向OBC則可用二極管取代IGBT功率模塊，成本將進一步降低。

沒錯，它跟比亞迪的驅(qū)動復(fù)用升壓充電其實使用的是相同的配方。

產(chǎn)品二：深度集成四合一電機驅(qū)動控制器

MCU、OBC、DCDC 和 PDU 四合一電機驅(qū)動控制器，實現(xiàn)了四個功能單元的深度集成，高功率密度、高效率、高可靠性和超低成本的特點。

四合一電機驅(qū)動控制器，圖片來源：億率動力

與目前市面上四合一電機驅(qū)動控制器僅從MCU、OBC、DCDC 和 PDU 這四個功能進行物理集成不同的是，億率動力對這四個功能模塊進行了共板設(shè)計，從電路和拓撲層面實現(xiàn)功率的集成。

四合一電機驅(qū)動控制器系統(tǒng)框圖，圖片來源：億率動力

筆者認為，這應(yīng)該算是這款電機驅(qū)動控制器產(chǎn)品最具特色的地方。若按照集成度進行劃分，電機驅(qū)動控制器系統(tǒng)集成可以分為獨立產(chǎn)品、部件級整合、控制級整合、功率級整合四個階段，目前大多數(shù)廠商的系統(tǒng)集成方案主要處于第二、第三階段的控制級系統(tǒng)集成。第四階段功率級整合是在拓撲電路層面復(fù)用部分功率器件和磁性元件，技術(shù)難度較大，行業(yè)內(nèi)具備功率級整合技術(shù)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的廠商較少。

四合一電機驅(qū)動控制器OBC技術(shù)方案

相比于傳統(tǒng)方案，這個電機驅(qū)動控制器的OBC不一樣的地方在于將原有的MCU(控制器)、OBC、DCDC和PDU四個控制板集成到一塊板上，從功率和電路拓撲層面進行集成。好處是可以大大節(jié)省元器件使用量，一個最簡單的例子便是各個輸出端口的濾波器可以省掉，挑戰(zhàn)則在于PCB Layout時要考慮不同的部件、不同的功能需要不同的工作模式和狀態(tài)，需要確保把它放在一起后互不干擾，對設(shè)計能力要求高。

根據(jù)億率動力產(chǎn)品副總裁唐志介紹，“這款電機驅(qū)動控制器產(chǎn)品在設(shè)計之初就開始從這幾個部件的電路拓撲和控制進行分析，哪些東西可以集成，哪些東西可以省掉，我們把這四個部件打散后重新整合，從拓撲到控制到整個電機驅(qū)動控制器產(chǎn)品進行重新設(shè)計，最終實現(xiàn)產(chǎn)品體積減少了 2/3，重量減輕50%以上，成本也大幅降低，最高效率在 98% 以上。”

此外，這四個部件共用同一個DSP(傳統(tǒng)方案僅OBC 就要用兩個DSP)，OBC則采用了全SiC解決方案(SiC單管器件)。

四合一電機驅(qū)動控制器DCDC技術(shù)方案，圖片來源：億率動力

DCDC這種兩級的技術(shù)方案目前似乎很少廠商用?據(jù)唐志介紹億率動力是第一個吃螃蟹的人，好處也是顯而易見的。DCDC 的一大設(shè)計難點就是如何把效率做得更高、體積做得更小，因為DCDC電壓低(14 V)，輸出電流大，以1.5 kW的DCDC為例，輸出電流已經(jīng)到了 100 安，還要考慮 20% 的過載能力，那就是 130 多A，而一些乘用車的DCDC功率已經(jīng)去到到4-5 kW，輸出電流幾百A，目前常用的全橋逆變器方案，僅副邊電感體積就不小，有電感以后同步整流管的選型，耐壓要求也會比較高，至少要 100 V左右的同步整流管，限制了 DCDC 往大功率走。

這種兩級拓撲實現(xiàn)DCDC 高壓轉(zhuǎn)低壓，其好處就是調(diào)壓是在第一級Buck電路，第二級不調(diào)壓，Buck電路的輸出就是第二級的輸入，輸入輸出基本是穩(wěn)定的，SiC器件可以讓這個Buck電路的電壓和頻率提高，效率也更高，很容易解決電感的體積問題。

四合一電機驅(qū)動控制器相關(guān)技術(shù)指標，圖片來源：億率動力

綜合來看，這個電機驅(qū)動控制器產(chǎn)品變壓器體積更小，只有2個同步整流管(60V以下)+1個防反MOS，實現(xiàn) PCB 同頻輸出，相比于傳統(tǒng)的全橋方案通態(tài)損耗更小，可靠性更高，整個DCDC的電路拓撲方案優(yōu)化起來相對簡單。唐志也透露這款電機驅(qū)動控制器產(chǎn)品的實測效果，“從我們的測試結(jié)果來看，副邊管壓力非常小，可靠性得到了很大的提升。”

從上述的兩款電機驅(qū)動控制器產(chǎn)品以及小鵬汽車功率電子總監(jiān)陳皓的演講和相關(guān)采訪中，我們認為有幾個趨勢是值得磁元件企業(yè)關(guān)注的：

趨勢一：多合一逐步進入功率級集成

從電機驅(qū)動控制器技術(shù)發(fā)展趨勢看，目前電系統(tǒng)多合一已成為行業(yè)發(fā)展共識，系統(tǒng)性能和成本控制成為不同集成方案考慮的核心因素。

如果從電機驅(qū)動控制器體積角度看，其實目前磁性元件企業(yè)已經(jīng)做得不錯，也能夠滿足整車廠的要求，比如陳皓就曾提到，目前OBC與DCDC二合一基本已做成標準件，在SiC器件沒有普及的前提下能夠?qū)Ⅲw積控制在 2.6 -2.7 L，重量在6 kg以內(nèi)。

但若從電機驅(qū)動控制器成本角度看，未來勢必將進一步優(yōu)化。前文我們也曾提到過目前能夠?qū)崿F(xiàn)功率級整合的廠商相對較少，但畢竟還是有廠商具備這個能力的，而且我們有理由相信未來隨著成本壓力的增大，將倒逼更多系統(tǒng)商和整車廠進行功率級整合。畢竟省掉的元器件能夠帶來肉眼可見的降本效果，比如今年3月份曾有整車廠降價高達9萬元，而年底的降價潮已由比亞迪率先開啟。

進入功率級集成，對磁元件企業(yè)而言，存在著不小的挑戰(zhàn)：復(fù)用部分電路，磁元件需要整合更多功能，需要應(yīng)對更復(fù)雜的工況，雖說單品價值量會更高，但這對磁元件企業(yè)而言挑戰(zhàn)更大，更考驗磁元件企業(yè)的設(shè)計能力，比如比亞迪的油電混合主驅(qū)上用到的那顆升壓電感，就一度難住了不少磁元件企業(yè)。

尤其是未來新能源汽車更智能化、自動駕駛級別更高后，還將新增加更多的功能。

趨勢二：SiC器件單管將率先在小三電系統(tǒng)普及

從產(chǎn)品角度看，SiC單管將率先在小三電系統(tǒng)的OBC、DCDC等場景開始普及。唐志在演講中提到說，“盡管目前 3.3 kW的 OBC 很少用SiC器件，大家都覺得使用 6.6 kW的才有經(jīng)濟價值， 但是我們發(fā)現(xiàn)用了SiC器件以后，改變拓撲充分利用SiC器件耐壓等級高的特點，可以省掉很多元器件，比如在后級摒棄傳統(tǒng)的LLC電路(前文提到的四合一電機驅(qū)動控制器)，改用諧振電路，由于采用了SiC器件，可以把頻率做得很高，變壓器體積做得很小，而且整個諧振電路效率也更高。3.3 kW的OBC 用SiC器件以后整體成本反而降低了，可以把OBC 的體積、重量、成本優(yōu)化得更好。”唐志還表示，“這種SiC單管器件，國產(chǎn)供應(yīng)商已實現(xiàn)批量供貨，價格也已經(jīng)比較親民。我們測試了幾家國內(nèi)供應(yīng)商，還不錯，跟國外基本上同一個水平了。”

小鵬汽車功率電子總監(jiān)陳皓也表示，“目前在一些對晶圓面積要求沒那么大的部件，比如OBC，國內(nèi)已有很多SiC器件批量性上車案例，主驅(qū)逆變器也有部分量產(chǎn)應(yīng)用，但不多。”小鵬汽車在2022年推出了首款搭載SiC解決方案的 800 V車型G9，2023 年又相繼推出G6、X9等車型，其他如上汽、吉利等車廠也陸陸續(xù)續(xù)推出了800V車型，陳皓還提到，“接下來，小鵬汽車全系車型基本上都會采用 800 V的SiC解決方案(全800V架構(gòu))。”

SiC器件的應(yīng)用對磁元件而言影響最大的就是高頻損耗。唐志并沒有提到采用SiC器件的多合一電機驅(qū)動控制器工作頻率，不過我們從在采訪陳皓的過程中了解到，目前業(yè)界普遍的頻率大致分幾段，OBC 前端的 PFC 一般是60-80 kHz，OBC 的頻率一般150- 200 kHz的變頻，業(yè)界能夠做到的最高頻率是500-700 kHz，但目前國內(nèi)廠商一般能做到這個頻率的很少。

500 kHz已進入高頻范疇，剩余損耗將急劇增加，極大影響磁元件的應(yīng)用。

國內(nèi)磁性材料權(quán)威專家、磁技術(shù)專業(yè)委員會副主任委員、浙江工業(yè)大學車聲雷教授表示，損耗是隨頻率升高而升高的，但不是比例關(guān)系，尤其是到了高頻(例如500kHz以上)，基本上是一個2次以上、甚至3次以上的函數(shù)關(guān)系，頻率越高，曲線越陡，也就是說頻率升高引起的損耗增加越劇烈。

但高頻化是收益最好、性價比最高的一個方向。

目前已有越來越多的企業(yè)開始加大力度開發(fā)更高頻率的磁材，陳皓還特意提到，本屆峰會已看到有不同的磁材適用500- 700 kHz甚至1 MHz以上的頻率。此外，除了選用更高頻率的磁材，線圈的選用和設(shè)計也至關(guān)重要，比如采用利茲線圈。

越來越多企業(yè)也意識到線圈的重要性，并開始推出新的產(chǎn)品解決方案——膜包壓方線(即在利茲線生產(chǎn)工藝上再增加一道壓方工藝，將其壓成扁線)。本屆峰會期間，驊鷹優(yōu)霸、大潤科技、開聯(lián)、萬寶等線材企業(yè)都有展出膜包壓方線產(chǎn)品。

趨勢三：元器件廠商對話整車廠幾率增加

從供應(yīng)鏈角度看，相比于傳統(tǒng)汽車供應(yīng)鏈，元器件廠商直接對話整車廠的概率更大。英飛凌汽車部門總裁Peter Schiefer近期受訪時表示，車企與半導體廠商直接談判、簽訂長期合同的情況在增加。

一方面，是因為SiC器件目前產(chǎn)能緊俏，為保障供應(yīng)鏈的穩(wěn)定，眾多車廠開始直接跳過Tier 1 與元器件企業(yè)簽訂長期供貨協(xié)議。陳皓是這樣跟我們形容的：“目前英飛凌、安森美、ST、羅姆等國際主流廠商的SiC市場銷量非常火爆，產(chǎn)能基本上已經(jīng)被預(yù)定到了 2026 年。除了跟國際大廠簽訂綁定協(xié)議外，我們也積極尋找國內(nèi)的SiC供應(yīng)商。”

另一方面，更深層的原因則是新能源汽車打碎、重鑄了傳統(tǒng)燃油車供應(yīng)鏈，整車廠“我全都要的”現(xiàn)象似乎越來越明顯。以電機驅(qū)動控制器為例，僅比亞迪(弗迪動力)與特斯拉兩家市場份額占比就接近四成，眾多造車新勢力也紛紛下場自研。

2023年1-8月年電機驅(qū)動控制器裝機量情況，數(shù)據(jù)來源:NE時代

結(jié)語

不管是更高級別的功率集成、SiC的應(yīng)用，亦或是直接對話整車廠，其實最核心的就在于磁元件企業(yè)深度配合的研發(fā)設(shè)計配套能力，性能只是一個最終指標，實現(xiàn)這一指標的過程，同樣也是整機企業(yè)所看重的。

未來，隨著新能源汽車滲透率的提高，對磁元件的需求量也將更大，且隨著新能源汽車功能的復(fù)雜化、自動駕駛的升級，未來單顆磁元件的價值量也將更高，我們也期待在新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展的過程中，磁元件企業(yè)能夠抓住機遇，培養(yǎng)出能夠與整機企業(yè)乃至整車廠相匹配的磁元件設(shè)計能力。

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審核編輯：湯梓紅