Littelfuse以技术创新推动商用电动车和电动船舶发展

凭借Littelfuse功率半导体、开关产品应用及保护器件等优质产品，功率半导体技术应用经理刘鹏信心满满地向记者表示，在未来的五年之内，中国电动车的商用电动车和电动船舶肯定会发生巨大的变革——中国有巨大的潜力成为电动船舶和商用电动车的领先者。——专访Littelfuse功率半导体技术应用经理刘鹏

为实现中国双碳战略目标，践行绿水青山就是金山银山的国家大计，新能源产业正以前所未有的发展速度推进。新能源汽车、锂电池和光伏产品在国际市场上形成强大的竞争力，在这方面已走在世界前列。如何通过技术创新，发掘新质生产力，带动各行各业发展成为关注焦点。

区别于乘用电动车，商用电动车是一种具有特殊用途的车辆，如电动货车、电动扫雪车、电动压路机、电动挖掘机等。据悉，2019年商用电动车市场为50亿美元，到2027年将达250亿美元，增长5倍，年复合增长率约为21.2%，市场快速增长；同样，航行在江海湖泊的各类船只，也是各方角力的市场。由于电动船舶可以极大的减少碳排放，因此，电动船舶，如，电动远洋游轮、电动警用巡逻艇、电动渡轮等正逐步替代传统船舶。据预测，2024年，电动船舶市场大概在70亿美元，到2029年将达128亿美元，年复合增加率约在12.65%。

近几年，Littelfuse在商用电动车、电动船舶领域不断耕耘，以满足用户对高性能、高可靠性的应用需求。在刚刚闭幕的第十一届国际汽车技术展览会(AUTO TECH 2024)期间，我们有幸采访到Littelfuse功率半导体技术应用经理刘鹏，就Littelfuse功率半导体、保护器件和开关产品在商用电动车和电动船舶上的应用进行了专访。据了解，Littelfuse在该应用领域中拥有非常广泛的产品线。其中，功率半导体包括可控硅、二极管、IGBTs、MOS管、碳化硅、大功率器件及各种模块等；电路保护器件包括过流、过压保护器件，如压敏电阻、保险丝、气体放电管、e-fuse、TVS等；开关产品包括Pushbutton、Tactile、Key switch、Slide开关等。

图1 Littelfuse产品在商用电动车和电动船舶上的应用

进一步了解到，未来汽车行业可能会进入自动驾驶时代，而电动大卡在城市间或厂区间的运输中，其自动化价值易实现，且用电成本节省会越来越显著。刘鹏表示，对于运输企业，实现汽车电动化至少能省下30%到50%的运营成本。Littelfuse在商用电动车应用中可提供广泛的器件产品。

除了提供更多品类的器件，Littelfuse也提供相应的解决方案和Demo板，以便客户能够更好地理解和使用产品。刘鹏提到，虽然许多客户对各器件地使用很熟悉，但Demo板仍是一个有价值的参考工具。在解决方案方面，Littelfuse在功率半导体、保护器件和开关产品都有对应的典型应用，给用户带来高可靠性、高性价比的系统性、一站式解决方案。

· OBC：保险丝、MOV、功率器件等；

· 高压电池及电池管理系统：保险丝、MOS管等；

· PDU：电路保护器件 + C&K的开关；

· DC-DC转换器：从高压电池转到12V或24V，高压MOS管、门极驱动、TVS以及各种保护器件等；

· 马达驱动：IGBT模块、TVS保护器件等；

· 汇流箱：保险丝、过压过流器件。

一、功率半导体应用

1.经济效益更突出的可控硅方案

大型商用电动车，像电动卡车平台电压会达到千伏以上，功率等级为MW级别。小型商用电动车电压等级会比较低，基本上在200V以下。对于大型商用电动车充电方案，目前采用多模块并联的方式实现。用到650V/1200V MOSFET或IGBT，以及600V/1,200V的二极管。

图3 Littelfuse功率半导体器件在展会中的样品

多模块的方案优势是扩容方便，维护简单，但效率和成本并不是最优方案。基于此痛点，Littelfuse提出了一个更加高效，小型化的MW级充电方案：12脉高压整流方案，利用Littelfuse的压接可控硅模块N1718NC200(1718A/2000V)组建的MW充电器，其充电效率可达99.8%。此外，相比较于由于多模块并联SiC MOSFET方案中损耗最终转化成为热能，需要大冷却器来进行冷却，因此其设备体积相当大，而采用12脉整流可控硅方案只需其体积的10%左右，可控硅方案在经济效益方面是非常突出的。刘鹏提到，该方案在效率提升2%的同时，至少可以减低50%的成本。

2.适用于兆瓦级充电设备的高可靠性压接式IGBTs

当前，Littelfuse压接式IGBT正被广泛应用于商用电动车和电动船舶。IGBT芯片通过金属钼片将芯圆压接在铜壳里面，并进行密封处理，其优势在于热胀冷缩保持非常平稳，产品长期的可靠性非常高。另外金属钼片的热膨胀系数和芯片接近，将大大提高长期可靠性。同时，该壳体双面散热，无论采用水冷还是油冷散热，都可以达到很好的散热效果。因此，这是一种非常适合兆瓦级充电桩、充电站、驱动器的应用方案。

例如，在某用户中压3.3kV、1.6kA、8MW方案设计中，Littelfuse采用IGBT T2400GB45E (2,400A/4,500 V)，配套二极管2,400A/4,500V，构建出一套强力供电保障系统。针对不同中压需求的电动船舶，Littelfuse还提供1.7kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV的IGBT方案，满足DC Link电压范围从900-3,600V的供电需求。

另外，采用铜体封装的Littelfuse压接式盘状IGBT相对塑封式IGBT而言，其应力水平更高，避免了兆瓦级应用中可能出现的壳体炸裂、起火、流液等损坏周边电路的情况。10.54kJ的放电能量水平，使其在兆瓦级应用中更具可靠性，冗余度更高。压接式IGBT高可靠性的特点，允许设计工程师进行冗余串联，在单体短路失效的情况下，系统仍可以正常工作。因此，压接式IGBT成为兆瓦级设备应用，特别是在船舶推进系统、充电系统等大功率应用中的首选方案。刘鹏还提到，该IGBT方案还可以根据客户需求实现产品定制化，尽可能地为客户解决实际问题。

图5 高可靠性压接式IGBTs

二、开关产品应用

C&K Switches的按键在商用电动车和电动船舶上的应用包括：操作杆、显示面板、控制面板、控制杆、带线控制器、座椅、方向拓等。包括Pushbutton、微动开关、Key switch、Tactile点触开关和一些大电流产品应用，如Toggle、Rocker等高端电源开关应用，以及可调式Rotary开关。

刘鹏特别介绍了作为信号或功率开关的Pushbutton，根据客户需求，可以做到500万次，甚至1,000万次的寿命，此类高性能器件常被用于商用电动车、电动船舶、医疗设备中。刘鹏饶有兴致地表示，不要以为开关看起来简单，Littelfuse为达到超长生命周期，甚至按键声学上的悦耳，我们还建立了完备的可靠性实验室和声学实验室。

图7 C&K Switches开关应用

比如，为了满足某高端用户在开关按键声学方面的极致体验，Littelfuse团队会对开关拨片里面的弹片进行特别设计，让每一次按键声音听起来更加悦耳。上述都是C&K Switches核心竞争力。

三、保护器件应用

整体而言，Littelfuse保险丝品类非常全，从交流的0.125A乃至贴片保险丝，或是60A、80A，甚至到125 A，应用范围广泛。针对不同的能量等级、响应速度，在众多的产品中，选择哪款产品至关重要，Littelfuse工程师都会根据应用场景、产品性能给用户做出更加完备的解决方案，而为了更快地对接市场，直面用户需求。

Littelfuse保护器件在商用电动车和电动船舶的应用主要在以下几个方面：模块化产品，如PDU、逆变器、Charger，以及在控制板、各种域的板、显示面板、接口板、操作面板中的应用。产品涉及过流过压保护器件，如保险丝(包括大电流、小电流的一系列应用)、TVS、可击穿可控硅(SIDACTOR)、MOV、气体放电管、e-Fuse等。

Littelfuse保护器件主要涉及两个方向，功率端和通信接口端。功率端因为直面电网、突波、雷击等，吸收的能量比较大。因此，Varistors、TVS Diodes、SIDACTOR + Varistor、气体放电管等方案会应用的比较普遍，达到过流过压的保护;而通信端接口的保护，要考虑数据传输信号失真问题，针对USB 3.2、4.0、HDMI等高速接口开关，会专门设计低寄生电容保护器件。

现阶段，碳化硅的应用比较广泛，包括在OBC和DC-DC上面都有很多成功案例。但是，碳化硅的缺点在于，其门级的正负电压最大值不同，承载能力是非对称的。目前市场上正电压最大在25V左右，而负电压承受能力非常弱，也就是在-5V左右的水平，这对保护器件提出了更高要求。Littelfuse工程师专门针对碳化硅产品，在同一极小封装下搭载TVS管，设计工程师无需通过两个TVS管实现双向非对称保护，不仅满足了非对称应用的市场需求，而且大大节省了板上空间。

另外，TVS管在IGBT模块中也得到了很好的应用。因为大家都知道IGBT的关断，如果是快速硬关断，其overshoot会特别高，这可能将使IGBT处于危险的过压状态。Littelfuse通过TVS管实现有源钳位，一旦在overshoot下出现的过压超过TVS管的限值，则会被击穿，击穿后，给门极一个瞬间充电，减小didt实现了适时削峰，对IGBT进行了有效保护，实施有源钳位后，极大提升了产品可靠性。

目前，无论时商用电动车还是电动船舶，欧洲已经跑在市场前面，但刘鹏信心满满地向记者表示，相信凭借中国市场以及Littelfuse方案的优势，在未来的五年之内，中国电动车的商用电动车和电动船舶肯定会发生巨大的变革——中国有巨大的潜力成为电动船舶和商用电动车的领先者。这也是为什么Littelfuse这两年一定要大力地去做这件事情的重要原因。

未来，Littelfuse还将持续在MOEFET、IGBT、Diode、Thyristor以及SiC Device等系列产品上加大技术研发，提高迭代速度，帮助我们的客户开发出效率更高、性价比更好以及体积更小的优秀产品。

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审核编辑 黄宇