【導(dǎo)讀】本文闡述了如何在主驅(qū)逆變器中使用碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 將電動汽車的續(xù)航里程延長多達(dá) 5%。另外，文中還討論了為什么一些原始設(shè)備制造商 (OEM) 不愿意從硅基絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 過渡到 SiC 器件，以及安森美 (onsemi) 為緩解 OEM 的擔(dān)憂同時提升 OEM 對這種成熟的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的信心所做的努力。
不斷增長的消費需求、持續(xù)提高的環(huán)保意識/環(huán)境法規(guī)約束，以及越來越豐富的可選方案，都在推動著人們選用電動汽車 (EV)，令電動汽車日益普及。高盛近期的一項研究顯示，到 2023 年，電動汽車銷量將占全球汽車銷量的 10%；到 2030 年，預(yù)計將增長至 30%；到 2035 年，電動汽車銷量將有可能占全球汽車銷量的一半。然而，“里程焦慮”，也就是擔(dān)心充一次電后行駛里程不夠長，則是影響電動汽車普及的主要障礙之一。克服這一問題的關(guān)鍵是在不顯著增加成本的情況下延長車輛行駛里程。本文闡述了如何在主驅(qū)逆變器中使用碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 將電動汽車的續(xù)航里程延長多達(dá) 5%。
01 汽車主驅(qū)逆變器設(shè)計趨勢
電動汽車中的主驅(qū)（主）逆變器將直流電池電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，從而滿足電動牽引電機對交流電壓的需求，令其能夠順利驅(qū)動車輛。主驅(qū)逆變器設(shè)計的最新趨勢包括：
● 增加功率：逆變器的功率輸出越大，車輛加速越快，對駕駛員的響應(yīng)也越快。
● 效率最大化：最大限度地減少逆變器消耗的電量，以增加用來驅(qū)動車輛的功率。
● 提高電壓：直到最近，400V 電池一直都是電動汽車中最常見的規(guī)格，但汽車行業(yè)正在向 800V 發(fā)展，以減小電流、電纜厚度和重量。為此，電動汽車中的主驅(qū)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(tǒng)尺寸（kW/L），減輕主驅(qū)逆變器的重量，同時減少電機的負(fù)載。車輛重量降低有助于在使用相同電池的情況下延長車輛的行駛里程，同時減小傳動系統(tǒng)的體積，增加乘員和后備箱的可用空間。
圖 1：電動汽車主驅(qū)逆變器設(shè)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(qū)逆變器設(shè)計的更優(yōu)選擇。首先是它的物理硬度，達(dá)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(jié)并具有更高的機械完整性。再者，碳化硅的熱導(dǎo)率 (4.9W/cm.K) 是硅 (1.15 W/cm.K) 的四倍多，這意味著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(dǎo)通和關(guān)斷，因而成為電動汽車日益升高的電壓 (800V) 架構(gòu)的更優(yōu)選擇，同時更寬的帶隙電壓意味著它的損耗比硅更低。
03 消解廠商對于采用 SiC 的顧慮
盡管 SiC 具有明顯的優(yōu)勢，但一些汽車 OEM 廠商還是遲遲不肯放棄更傳統(tǒng)的硅基開關(guān)器件，例如用于主驅(qū)逆變器的 IGBT。OEM 廠商不愿采用 SiC 的原因包括：
● 認(rèn)為 SiC 是一種尚未成熟的技術(shù)
● 覺得 SiC 難以實施
● 以為 SiC 沒有適合主驅(qū)應(yīng)用的封裝
● 認(rèn)為 SiC 的供應(yīng)不如硅基器件便利
● 覺得 SiC 比 IGBT 更貴
下文將從多個角度說明為什么上述看法缺少根據(jù)，以及為什么 OEM 應(yīng)該有信心在電動汽車主驅(qū)逆變器中使用 SiC。
04 證明 SiC 可提高主驅(qū)逆變器效率
提升 OEM 信心的第一步是展示在主驅(qū)逆變器設(shè)計中使用 SiC 可實現(xiàn)的明顯性能優(yōu)勢。我們使用電路設(shè)計軟件對安森美的NVXR17S90M2SPB(1.7mΩ Rdson)和 NVXR22S90M2SPB(2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900 V 六組功率模塊進行了仿真，并將其性能與 820 A VE-Trac Direct IGBT（同樣來自安森美）進行了比較。主驅(qū)逆變器設(shè)計的仿真結(jié)果表明：
● 對于 10KHz 開關(guān)頻率下 450V 直流母線電壓和 550Arms 功率傳輸，在相同散熱條件下，SiC 模塊的 Tvj（結(jié)溫）(111°C) 比 IGBT (142°C) 低 21%。
● 與 IGBT 相比，NVXR17S90M2SPB 的平均開關(guān)損耗降低了 34.5%，NVXR22S90M2SPB 的平均開關(guān)損耗則降低了 16.3%。
● 與基于 IGBT 的設(shè)計相比，使用 NVXR17S90M2SPB 實施的全主驅(qū)逆變器設(shè)計的總體損耗降低了 40% 以上，使用 NVXR22S90M2SPB 時功率損耗則降低了 25%。
雖然這些改進針對的是主驅(qū)逆變器，但它們可以使電動汽車整體能效提高 5%，從而使續(xù)航里程延長 5%。例如，配備 100kW 電池、續(xù)航里程為 500 公里的電動汽車，如果使用基于安森美 EliteSiC 功率模塊的主驅(qū)逆變器，那么它的行駛里程則可達(dá) 525 公里。值得注意的是，在此類主驅(qū)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似尺寸的 SiC 模塊，不但便于集成，而且還簡化了實施過程，無需對制造流程進行任何更改。此外，SiC 模塊還具有在相同結(jié)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(jié)在直接鍵合銅板上，使器件結(jié)點和冷卻劑之間的熱阻降低多達(dá) 20%（Rth 結(jié)點到流體 = 0.08oC/W）。
圖 2：安森美的 SiC 封裝具有出色的低熱阻
采用先進互連技術(shù)的壓鑄模封裝進一步提高了 SiC 模塊的高功率密度，并且具有低雜散電感（對于高速開關(guān)效率非常重要），而且更高的開關(guān)頻率有助于減小系統(tǒng)中一些無源組件的尺寸和重量。此外，這種封裝類型具有多種工作溫度選項（最高達(dá) 200°C），可降低 OEM 的散熱要求，并有望采用更小的泵進行熱管理。
06 在更廣泛的架構(gòu)中改用 SiC
隨著電動汽車電池電壓的增加，我們可以在維持相同功率輸出的情況下減小電流。從系統(tǒng)層面而言，這意味著汽車中的電纜將變得更細(xì)。轉(zhuǎn)向 SiC 將變得越來越合理，因為 SiC 器件產(chǎn)生的熱量比硅基器件更少，可實現(xiàn)更高的功率密度，不僅是在主驅(qū)逆變器中，而且在更廣泛的電動汽車架構(gòu)中也能發(fā)揮巨大作用。
07 安森美消除 OEM 對于 SiC 供應(yīng)的擔(dān)憂
安森美投入巨資打造全整合且成熟的 SiC 供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)，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(yīng)用設(shè)計。經(jīng)過十多年的發(fā)展，安森美積累了深厚的專業(yè)知識，可以幫助汽車 OEM 廠商消除對于轉(zhuǎn)用 SiC 的各種擔(dān)憂。
作者：安森美汽車主驅(qū)解決方案高級產(chǎn)品線經(jīng)理 Jonathan Liao
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