以碳化硅技術(shù)牽引逆變器 延展電動(dòng)車(chē)行駛里程

目前影響著(zhù)車(chē)輛運輸和半導體技術(shù)的未來(lái)有兩大因素。業(yè)界正在采用令人振奮的新方法，即以潔凈的能源驅動(dòng)我們的汽車(chē)，同時(shí)重新設計支撐電動(dòng)車(chē)（EV）子系統的半導體材料，大幅提升功效比，進(jìn)而增加電動(dòng)車(chē)的行駛里程。

政府監管機構持續要求汽車(chē)OEM減少其車(chē)系的整體二氧化碳排放量，對于違規行為給予嚴厲的處罰，同時(shí)開(kāi)始沿著(zhù)道路和停車(chē)區域增設電動(dòng)車(chē)充電基礎設施。但是，盡管取得了這些進(jìn)展，主流消費者仍然對電動(dòng)車(chē)的行駛里程存有疑慮，使電動(dòng)車(chē)的推廣受到阻力。

更復雜的是，大尺寸的電動(dòng)車(chē)電池雖然可以增加其行駛里程，緩解消費者關(guān)于行駛里程的焦慮，但它會(huì )使電動(dòng)車(chē)的價(jià)格上漲—電池成本在整車(chē)成本中的占比超過(guò)25%。

幸運的是，同時(shí)期的半導體技術(shù)革命催生了新的寬能隙組件，例如碳化硅（SiC） MOSFET功率開(kāi)關(guān)，使得消費者對電動(dòng)車(chē)行駛里程的期望與OEM在成本架構下可真正實(shí)現里程之間的差距得以縮小。

Wolfspeed公司功率平臺經(jīng)理Anuj Narain表示：「相較于現有的硅基技術(shù)，SiC MOSFET被廣泛認為可以為標準電動(dòng)車(chē)的駕駛周期增加5%至10%的續航里程?！挂虼?，它們是電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統中新一代牽引逆變器的重要組成部分。如果與配套組件一起進(jìn)行適當開(kāi)發(fā)，其能效提升將代表著(zhù)消費者對電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域信心大幅增加，并有助于加速電動(dòng)車(chē)的普及。

 
圖一 : 電動(dòng)車(chē)中的功率轉換零件。牽引逆變器將高壓電池的直流電壓轉換成交流波形來(lái)驅動(dòng)馬達，驅動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。

充分利用SiC技術(shù)
眾所皆知，基于SiC的功率開(kāi)關(guān)本身在功率密度和效率方面具有優(yōu)勢，這對于系統散熱和減小組件尺寸都具有重要意義。采用SiC可望使逆變器尺寸在800 V/250 kW時(shí)縮小3倍，如果配合使用直流環(huán)節薄膜電容，則能進(jìn)一步減小尺寸和節省成本。

相較于傳統的硅功率開(kāi)關(guān)，SiC功率開(kāi)關(guān)可協(xié)助實(shí)現更杰出的行駛里程和/或更小的電池尺寸，使得開(kāi)關(guān)成本在組件級別和系統級別都更具有優(yōu)勢。

 
圖二 : 電池至馬達訊號鏈。為了增加行駛里程，每個(gè)模塊都應設計為可提供最高能效。

在同時(shí)考慮行駛里程和成本因素時(shí)，仍然需要以牽引逆變器為焦點(diǎn)不斷創(chuàng )新，目的在進(jìn)一步提升電動(dòng)車(chē)的效率和行駛里程。作為牽引逆變器中價(jià)格最昂貴、功能最重要的組件，SiC功率開(kāi)關(guān)需要接受精準控制，以充分發(fā)揮額外的開(kāi)關(guān)成本的價(jià)值。

 
圖三 : 開(kāi)啟（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的電壓和電流波形。在SiC環(huán)境中，dv/dt將超過(guò)10 V/ns，這表示開(kāi)關(guān)800 V直流電壓的時(shí)間不會(huì )超過(guò)80 ns。同樣，di/dt為10 A/ns時(shí)，表示在80 ns內電流為800 A，從中可以觀(guān)察到di/dt的變化。

事實(shí)上，SiC開(kāi)關(guān)的所有固有優(yōu)勢都會(huì )被共模噪聲干擾，以及被管理不善的功率開(kāi)關(guān)環(huán)境中的超快電壓和電流瞬變（dv/dt和di/dt）導致的極高和破壞性的電壓過(guò)沖影響。一般來(lái)說(shuō)，拋開(kāi)底層技術(shù)不談，SiC開(kāi)關(guān)的功能相對簡(jiǎn)單，它只是一個(gè)3端組件，但必須小心連接至系統。

閘極驅動(dòng)器的作用
隔離式閘極驅動(dòng)器的作用關(guān)系到功率開(kāi)關(guān)的最佳開(kāi)關(guān)點(diǎn)，確保透過(guò)隔離閘實(shí)現短而準確的傳播延遲，同時(shí)提供系統和安全隔離，避免功率開(kāi)關(guān)過(guò)熱，檢測和防止短路，并促使在A(yíng)SIL D系統中插入子模塊驅動(dòng)/開(kāi)關(guān)功能。

 
圖四 : 隔離式閘極驅動(dòng)器橋接了訊號世界（控制單元）和功率世界（SiC開(kāi)關(guān)）；除了隔離和訊號驅動(dòng)，并執行遙測、保護和診斷功能，使其成為訊號鏈的關(guān)鍵組件。

但是，SiC開(kāi)關(guān)導致的高擺率瞬態(tài)會(huì )破壞跨越隔離閘的數據傳輸，所以量測和了解對這些瞬變的敏感性非常重要。ADI專(zhuān)有的 iCoupler

技術(shù)具有卓越的共模瞬變抗擾度（CMTI），量測性能高達200 V/ns及以上。在安全操作環(huán)境中，這可以充分釋放SiC開(kāi)關(guān)時(shí)間的潛力。

 
圖五 : 20多年來(lái)，ADI一直居于數字隔離技術(shù)發(fā)展的前端，并推出iCoupler數字隔離IC。該技術(shù)采用具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數字隔離器采用晶圓CMOS制程。變壓器采用差分架構，具有卓越的共模瞬變抗擾度。

考慮到較小的芯片尺寸和嚴格的熱封裝，短路是基于SiC的電源開(kāi)關(guān)的另一個(gè)主要挑戰。閘極驅動(dòng)器為電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統的可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化提供了必要的短路保護。

在Wolfspeed等先進(jìn)SiC MOSFET功率開(kāi)關(guān)供貨商的實(shí)際測試中，高性能閘極驅動(dòng)器已證實(shí)了自身的價(jià)值。對于關(guān)鍵參數性能，例如短路檢測時(shí)間和總故障清除時(shí)間，可分別低至300 ns和800 ns。為了提升安全性和保護等級，測試結果顯示，可調的軟關(guān)斷能力對于系統能否平穩運行非常重要。

同樣的，可以大幅提升開(kāi)關(guān)能量和電磁兼容性（EMC），以最大限度提高功率性能和電動(dòng)車(chē)的行駛里程。驅動(dòng)能力更高時(shí)，用戶(hù)可以獲得更快的邊緣速率，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。這不僅有助于提升效率，而且無(wú)需為每個(gè)閘極驅動(dòng)器分配外部緩沖器，從而節省了電路板空間和成本。

相反的，在某些條件下，系統可能需要降低開(kāi)關(guān)速度來(lái)實(shí)現卓越的效率，甚至需要分級開(kāi)關(guān)，研究顯示以上可以進(jìn)一步提升效率。ADI提供可調壓擺率，允許用戶(hù)進(jìn)行此操作，去除外部緩沖器則進(jìn)一步減少了阻礙。

系統要素
需要注意的是，閘極驅動(dòng)器和SiC開(kāi)關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能完全被周?chē)M件的妥協(xié)和/或低效抵消。ADI結合功率控制和感測方面的經(jīng)驗和系統級的性能優(yōu)化方法，將可涵蓋多種設計考慮。

從整體角度來(lái)看，電動(dòng)車(chē)顯露了優(yōu)化傳動(dòng)系統功率效率的額外機會(huì )，這對于在確保安全可靠運行的同時(shí)大幅利用電池可用容量來(lái)說(shuō)非常重要。電池管理系統的質(zhì)量直接影響電動(dòng)車(chē)每次充電所能行駛的里程數。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統能夠大幅延長(cháng)電池的整體使用壽命，從而降低總擁有成本（TCO）。

就功率管理而言，能夠在不降低BOM成本或減小PCB尺寸的情況下克服復雜的電磁干擾問(wèn)題（EMI）將變得非常重要。無(wú)論是隔離式閘極驅動(dòng)器的供電電路，還是高壓至低壓DC-DC電路，高功效比、熱性能和封裝仍然是功率域的關(guān)鍵考慮因素。

在所有情況下，能否消除電磁干擾對電動(dòng)車(chē)設計人員而言極為重要。涉及到開(kāi)關(guān)多個(gè)電源時(shí)，電磁干擾是一個(gè)非常關(guān)鍵的痛點(diǎn)，如果EMC性能卓越，則極有助于減少測試周期和降低設計復雜性，從而加快上市速度。

如果深入研究支持零件的生態(tài)系統，會(huì )發(fā)現電磁感測技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)產(chǎn)生了新一代無(wú)接觸電流傳感器，該傳感器能夠提供高帶寬、高精度，而且無(wú)功率損耗，此外，還推動(dòng)產(chǎn)生了精密且可靠的位置傳感器，適用于軸端和軸外布置。典型的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)中布署15到30個(gè)電流傳感器，并采用旋轉和位置傳感器來(lái)監測牽引馬達。在干擾電磁場(chǎng)下的精度和可靠性是跨電動(dòng)車(chē)功率系統測量和保持性能的重要屬性。

端到端效率
從電池到牽引逆變器，再到支持組件等，從整體來(lái)看電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統的所有組件，ADI發(fā)現了無(wú)數改善電動(dòng)車(chē)的機會(huì )，可以提升其整體能效，還能增加電動(dòng)車(chē)行駛里程。隨著(zhù)SiC功率開(kāi)關(guān)技術(shù)滲透到電動(dòng)車(chē)牽引逆變器中，數字隔離已成為其中一個(gè)重要的組成部分。

同樣的，汽車(chē)OEM可以利用多學(xué)科方法來(lái)優(yōu)化電動(dòng)車(chē)，以確保所有可用的功率監測和控制組件密切配合大幅提升性能和效率。同時(shí)，它們可以協(xié)助消除主流消費者購買(mǎi)電動(dòng)車(chē)的最后一個(gè)障礙，即行駛里程和成本，同時(shí)協(xié)助打造更環(huán)保的未來(lái)。

（本文作者Timothe Rossignol 為ADI 營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）