【導讀】因續航能力有限而導致的“里程焦慮”是許多消費者采用電動車的一個障礙。增加電池密度和提高能量轉換過程的效率是延長車輛續航能力以緩解這種焦慮的關鍵。能效至關重要的一個關鍵領域是主驅逆變器，它將直流電池電壓轉換為所需的交流驅動，以為電機供電。
在這篇技術文章中，我們討論VE-Trac? IGBT和碳化硅(SiC)模塊如何賦能更高的電池密度并提供更高效的轉換過程，以延長電動車的續航能力，從而幫助克服消費者的擔憂。
主驅逆變器是電動車的核心，連接電池和主驅電機。它們將直流電池電壓轉換為電機所需的交流驅動，功率水平通常為80千瓦至150多千瓦。電池電壓基于電池組的大小，通常在400 V直流電壓范圍內，但800 V直流電壓正越來越普遍，以顯著減小電流，從而降低損耗。
雖然鋰離子(Li-Ion)電池成本在過去三年中降低了40%，或在過去十年中降低了90%，但它仍是電動車中最高的成本項。降價的軌跡預計將持續到2025年左右，屆時價格將趨于穩定。鑒于這項成本，當務之急是盡可能有效地利用每一焦耳的存儲能量，以減小電池組的成本和尺寸。
這種電力驅動提供極高的扭矩和加速度。逆變器和電動馬達組合的反應能力直接關系到車輛的“感知”，因而也關系到消費者的駕駛體驗和滿意度。
開關器件的作用
主驅逆變器通常含三個半橋元件，每個半橋元件由一對MOSFET或IGBT組成，稱為上橋和下橋開關。每個電機相位都有一個半橋，總共有三個，由柵極驅動器控制每個開關器件。
圖1：主驅逆變器概覽
開關的主要作用是打開和關斷來自高壓電池的直流電壓和電流，為推動車輛的電機提供交流驅動。這是個要求很高的應用，因為它工作在高電壓、高電流和高工作溫度條件，而800 V電池可提供超過200千瓦的功率。
基于400 V電池系統的主驅逆變器要求功率半導體器件的VDS額定值在650 V至750 V之間，而800 V方案將VDS額定值要求提高到1200 V。在一個典型的應用中，這些功率器件還必須處理持續時間長達30秒(s)的超過600 A的峰值交流電流，以及持續約1毫秒(ms)的最大交流電流1600 A。
此外，開關晶體管和用于該器件的柵極驅動器必須能夠處理這些大的負載，同時使主驅逆變器保持高能效。
IGBT一直是主驅逆變器應用的首選器件，因為它們可以處理高電壓，快速開關，帶來高能效的工作，并滿足汽車行業具挑戰性的成本目標。
開關和功率密度
現代汽車極為擁擠——至少含技術的空間是如此。這說明功率密度是個重要參數，動力總成的功率密度尤為重要。物理尺寸(和重量)必須最小化，因為任何重量都會導致車輛續航能力降低。
除了元器件的物理尺寸外，設計的能效也是主要的驅動因素。能效越高，產生的熱量就越少，逆變器的結構就越緊湊。
開關(無論是IGBT還是MOSFET)對產生熱量的損耗有最重要的影響。較低的導通電阻(RDS(ON))值可減少靜態損耗，而柵極電荷(Qg)的改進可減少動態或開關損耗，使系統的開關速度加快。如果開關速度更快，那么就可以大大減小磁鐵等無源元件的尺寸，從而提高功率密度。
開關的最高工作溫度也會影響功率密度，因為如果器件能在更高的溫度下工作，需要的冷卻就更少，從而進一步減少設計的尺寸和重量。
模塊化方案增加功率密度
在許多主驅逆變器的設計中，關鍵器件通常是單獨的分立封裝，雖然這是個非常有效的方法，但它不一定能提供最緊湊或最高功率密度的設計。
另一種方法是使用預配置的模塊來構成主驅逆變器所需的半橋。安森美(onsemi)的VE-Trac功率集成模塊(PIM)就是這樣一種方案，它專用于汽車功能電子化應用，包括逆變器。
VE-Trac Dual電源模塊在一個半橋架構中集成了一對1200 V超場截止(UFS)IGBT。這些器件采用了穩定可靠且經過驗證的溝槽(Trench) UFS IGBT技術，提供高電流密度、穩定可靠的短路保護以及800 V電池應用所需的更高阻斷電壓。該智能IGBT集成了電流和溫度傳感器，使其具有獨特的優勢，并對過電流(OCP)和過溫度等保護功能提供更快的反應時間，從而提供一個更穩定可靠的方案。
這些芯片被封裝好，安裝在具有4.2 kV(基本)絕緣能力的Al2O3覆銅基板(DBC substrate)，兩側都有銅和冷卻性能。沒有線邦定的模塊比含有線邦定的類似外殼模塊預期壽命增加一倍。將該IGBT和一個二極管共同封裝，可以減少功率損耗和實現軟開關，從而提高整體能效。
VE-Trac Dual模塊將裸芯片封裝在一個小巧的尺寸中，更易于集成到緊湊的設計中。高效的工作、低損耗和雙面水冷確保輕松實現熱管理，同時持續工作在175°C允許向牽引電機提供更高的峰值功率。
主驅逆變器的每一相通常需要一個VE-Trac Dual模塊，其機械設計本身可用于多相應用，提供簡單的可擴展性，包括將模塊并聯以在每個單相提供更多的功率。
雖然基于IGBT的VE-Trac模塊足以滿足大多數汽車應用的要求，但基于SiC MOSFET的增強版也可用于最高要求的應用。這款產品采用了最新的寬禁帶(WBG)技術，進一步減小主驅逆變器設計的尺寸并提高能效。
總結
讓電動車在兩次充電之間行駛得更遠是我們當前的一大技術挑戰。由于政府要求，且人們期望改善環境，這些車輛將在未來幾年內被迅速采用。
如果減輕消費者的“續航里程焦慮”，電動車會更有吸引力，那么采用的速度會更快。實現這的最佳途徑是提高能效，這不僅延長續航里程，還增加功率密度和提升可靠性。
半導體開關是實現高能效的關鍵，雖然分立器件具有出色的性能，但最好的方案是專為汽車應用而設計的PIM，如安森美的VE-Trac模塊。這些基于IGBT的設計提供所需的高能效、高性能和可擴展性，外形小巧，簡化了熱設計。
作者：安森美高級產品線經理Jonathan Liao
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