SiC主驅逆變器讓電動(dòng)汽車(chē)延長(cháng)5%里程的秘訣

不斷增長(cháng)的消費需求、持續提高的環(huán)保意識/環(huán)境法規約束，以及越來(lái)越豐富的可選方案，都在推動(dòng)著(zhù)人們選用電動(dòng)汽車(chē) (EV)，令電動(dòng)汽車(chē)日益普及。高盛近期的一項研究顯示，到 2023 年，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量將占全球汽車(chē)銷(xiāo)量的 10%；到 2030 年，預計將增長(cháng)至 30%；到 2035 年，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量將有可能占全球汽車(chē)銷(xiāo)量的一半。然而，“里程焦慮”，也就是擔心充一次電后行駛里程不夠長(cháng)，則是影響電動(dòng)汽車(chē)普及的主要障礙之一?？朔@一問(wèn)題的關(guān)鍵是在不顯著(zhù)增加成本的情況下延長(cháng)車(chē)輛行駛里程。本文闡述了如何在主驅逆變器中使用碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 (MOSFET) 將電動(dòng)汽車(chē)的續航里程延長(cháng)多達 5%。另外，文中還討論了為什么一些原始設備制造商 (OEM) 不愿意從硅基絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 過(guò)渡到 SiC 器件，以及安森美 (onsemi) 為緩解 OEM 的擔憂(yōu)同時(shí)提升 OEM 對這種成熟的寬禁帶半導體技術(shù)的信心所做的努力。

01 汽車(chē)主驅逆變器設計趨勢

電動(dòng)汽車(chē)中的主驅?zhuān)ㄖ鳎?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/逆變器">逆變器將直流電池電壓轉換為交流電壓，從而滿(mǎn)足電動(dòng)牽引電機對交流電壓的需求，令其能夠順利驅動(dòng)車(chē)輛。主驅逆變器設計的最新趨勢包括：

■ 增加功率：逆變器的功率輸出越大，車(chē)輛加速越快，對駕駛員的響應也越快。

■ 效率最大化：最大限度地減少逆變器消耗的電量，以增加用來(lái)驅動(dòng)車(chē)輛的功率。

■ 提高電壓：直到最近，400V 電池一直都是電動(dòng)汽車(chē)中最常見(jiàn)的規格，但汽車(chē)行業(yè)正在向 800V 發(fā)展，以減小電流、電纜厚度和重量。為此，電動(dòng)汽車(chē)中的主驅逆變器必須能夠處理這種更高的電壓并使用合適的組件。

■ 減輕重量和尺寸：與硅基 IGBT 相比，SiC 具有更高的功率密度 (kW/kg)。更高的功率密度有助于減小系統尺寸（kW/L），減輕主驅逆變器的重量，同時(shí)減少電機的負載。車(chē)輛重量降低有助于在使用相同電池的情況下延長(cháng)車(chē)輛的行駛里程，同時(shí)減小傳動(dòng)系統的體積，增加乘員和后備箱的可用空間。

圖 1：電動(dòng)汽車(chē)主驅逆變器設計的最新趨勢

02 SiC 相對于硅的優(yōu)勢

與硅相比，碳化硅在材料特性方面具有多種優(yōu)勢，因而成為主驅逆變器設計的更優(yōu)選擇。首先是它的物理硬度，達到了 9.5 莫氏硬度，而硅為 6.5 莫氏硬度，所以碳化硅更適合高壓燒結并具有更高的機械完整性。再者，碳化硅的熱導率 (4.9W/cm.K) 是硅 (1.15 W/cm.K) 的四倍多，這意味著(zhù)它可以更有效地傳遞熱量從而在更高溫度下可靠運行。最后，碳化硅的擊穿電壓（2500kV/cm）是硅（300kV/cm）的 8 倍多，而且它具有寬帶隙性質(zhì)，能夠更快地導通和關(guān)斷，因而成為電動(dòng)汽車(chē)日益升高的電壓 (800V) 架構的更優(yōu)選擇，同時(shí)更寬的帶隙電壓意味著(zhù)它的損耗比硅更低。

03 消解廠(chǎng)商對于采用 SiC 的顧慮

盡管 SiC 具有明顯的優(yōu)勢，但一些汽車(chē) OEM 廠(chǎng)商還是遲遲不肯放棄更傳統的硅基開(kāi)關(guān)器件，例如用于主驅逆變器的 IGBT。OEM 廠(chǎng)商不愿采用 SiC 的原因包括：

◆ 認為 SiC 是一種尚未成熟的技術(shù)

◆ 覺(jué)得 SiC 難以實(shí)施

◆ 以為 SiC 沒(méi)有適合主驅?xiě)玫姆庋b

◆ 認為 SiC 的供應不如硅基器件便利

◆ 覺(jué)得 SiC 比 IGBT 更貴

下文將從多個(gè)角度說(shuō)明為什么上述看法缺少根據，以及為什么 OEM 應該有信心在電動(dòng)汽車(chē)主驅逆變器中使用 SiC。

04 證明 SiC 可提高主驅逆變器效率

提升 OEM 信心的第一步是展示在主驅逆變器設計中使用 SiC 可實(shí)現的明顯性能優(yōu)勢。我們使用電路設計軟件對安森美的NVXR17S90M2SPB(1.7mΩ Rdson)和 NVXR22S90M2SPB(2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900 V 六組功率模塊進(jìn)行了仿真，并將其性能與 820 A VE-Trac Direct IGBT（同樣來(lái)自安森美）進(jìn)行了比較。主驅逆變器設計的仿真結果表明：

■ 對于 10KHz 開(kāi)關(guān)頻率下 450V 直流母線(xiàn)電壓和 550Arms 功率傳輸，在相同散熱條件下，SiC 模塊的 Tvj（結溫）(111°C) 比 IGBT (142°C) 低 21%。

■ 與 IGBT 相比，NVXR17S90M2SPB 的平均開(kāi)關(guān)損耗降低了 34.5%，NVXR22S90M2SPB 的平均開(kāi)關(guān)損耗則降低了 16.3%。

■ 與基于 IGBT 的設計相比，使用 NVXR17S90M2SPB 實(shí)施的全主驅逆變器設計的總體損耗降低了 40% 以上，使用 NVXR22S90M2SPB 時(shí)功率損耗則降低了 25%。

雖然這些改進(jìn)針對的是主驅逆變器，但它們可以使電動(dòng)汽車(chē)整體能效提高 5%，從而使續航里程延長(cháng) 5%。例如，配備 100kW 電池、續航里程為 500 公里的電動(dòng)汽車(chē)，如果使用基于安森美 EliteSiC 功率模塊的主驅逆變器，那么它的行駛里程則可達 525 公里。值得注意的是，在此類(lèi)主驅逆變器中使用 SiC 的成本也將比硅 IGBT 低 5%。

05 更高的功率傳輸

對于考慮放棄 IGBT 的 OEM 而言，安森美提供了具有類(lèi)似尺寸的 SiC 模塊，不但便于集成，而且還簡(jiǎn)化了實(shí)施過(guò)程，無(wú)需對制造流程進(jìn)行任何更改。此外，SiC 模塊還具有在相同結溫下提供更高功率的額外優(yōu)勢。例如，NVXR17S90M2SPB 可提供 760Arms，而 IGBT (Tvj =150°C) 只能提供 590Arms，前者比后者增加了 29% 的功率。此外，安森美將 SiC 芯片燒結在直接鍵合銅板上，使器件結點(diǎn)和冷卻劑之間的熱阻降低多達 20%（Rth 結點(diǎn)到流體 = 0.08oC/W）。

圖 2：安森美的 SiC 封裝具有出色的低熱阻

采用先進(jìn)互連技術(shù)的壓鑄模封裝進(jìn)一步提高了 SiC 模塊的高功率密度，并且具有低雜散電感（對于高速開(kāi)關(guān)效率非常重要），而且更高的開(kāi)關(guān)頻率有助于減小系統中一些無(wú)源組件的尺寸和重量。此外，這種封裝類(lèi)型具有多種工作溫度選項（最高達 200°C），可降低 OEM 的散熱要求，并有望采用更小的泵進(jìn)行熱管理。

06 在更廣泛的架構中改用 SiC

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)電池電壓的增加，我們可以在維持相同功率輸出的情況下減小電流。從系統層面而言，這意味著(zhù)汽車(chē)中的電纜將變得更細。轉向 SiC 將變得越來(lái)越合理，因為 SiC 器件產(chǎn)生的熱量比硅基器件更少，可實(shí)現更高的功率密度，不僅是在主驅逆變器中，而且在更廣泛的電動(dòng)汽車(chē)架構中也能發(fā)揮巨大作用。

07 安森美消除 OEM 對于 SiC 供應的擔憂(yōu)

安森美投入巨資打造全整合且成熟的 SiC 供應鏈和生態(tài)系統，包括晶圓外延和 150mm 制造（計劃向200mm發(fā)展），涉及分立產(chǎn)品、集成電路器件、模塊和參考應用設計。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，安森美積累了深厚的專(zhuān)業(yè)知識，可以幫助汽車(chē) OEM 廠(chǎng)商消除對于轉用 SiC 的各種擔憂(yōu)。

本文作者：安森美汽車(chē)主驅解決方案高級產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Jonathan Liao