【導讀】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效應晶體管 (MOSFET) 將電動汽車的續航里程延長多達 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) 過渡到 SiC 器件，以及安森美 (onsemi) 為緩解 OEM 的擔憂同時提升 OEM 對這種成熟的寬禁帶半導體技術的信心所做的努力。
不斷增長的消費需求、持續提高的環保意識/環境法規約束，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逆變器中使用碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 將電動汽車的續航里程延長多達 5%。
01 汽車主驅逆變器設計趨勢
電動汽車中的主驅（主）逆變器將直流電池電壓轉換為交流電壓，從而滿足電動牽引電機對交流電壓的需求，令其能夠順利驅動車輛。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，以增加用來驅動車輛的功率。
● 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格，但汽車行業正在向 800V 發展，以減小電流、電纜厚度和重量。為此，電動汽車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，同時減少電機的負載。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，同時減小傳動系統的體積，增加乘員和后備箱的可用空間。
圖 1：電動汽車主驅逆變器設計的最新趨勢
02 SiC 相對于硅的優勢
與硅相比，碳化硅在材料特性方面具有多種優勢，因而成為主驅逆變器設計的更優選擇。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，能夠更快地導通和關斷，因而成為電動汽車日益升高的電壓 (800V) 架構的更優選擇，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 具有明顯的優勢，但一些汽車 OEM 廠商還是遲遲不肯放棄更傳統的硅基開關器件，例如用于主驅逆變器的 IGBT。OEM 廠商不愿采用 SiC 的原因包括：
● 認為 SiC 是一種尚未成熟的技術
● 覺得 SiC 難以實施
● 以為 SiC 沒有適合主驅應用的封裝
● 認為 SiC 的供應不如硅基器件便利
● 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，以及為什么 OEM 應該有信心在電動汽車主驅逆變器中使用 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 可實現的明顯性能優勢。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。主驅逆變器設計的仿真結果表明：
● 對于 10KHz 開關頻率下 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（結溫）(111°C) 比 IGBT (142°C) 低 21%。
● 與 IGBT 相比，NVXR17S90M2SPB 的平均開關損耗降低了 34.5%，NVXR22S90M2SPB 的平均開關損耗則降低了 16.3%。
● 與基于 IGBT 的設計相比，使用 NVXR17S90M2SPB 實施的全主驅逆變器設計的總體損耗降低了 40% 以上，使用 NVXR22S90M2SPB 時功率損耗則降低了 25%。
雖然這些改進針對的是主驅逆變器，但它們可以使電動汽車整體能效提高 5%，從而使續航里程延長 5%。例如，配備 100kW 電池、續航里程為 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溫下提供更高功率的額外優勢。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，使器件結點和冷卻劑之間的熱阻降低多達 20%（Rth 結點到流體 = 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（對于高速開關效率非常重要），而且更高的開關頻率有助于減小系統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 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。從系統層面而言，這意味著汽車中的電纜將變得更細。轉向 SiC 將變得越來越合理，因為 SiC 器件產生的熱量比硅基器件更少，可實現更高的功率密度，不僅是在主驅逆變器中，而且在更廣泛的電動汽車架構中也能發揮巨大作用。
07 安森美消除 OEM 對于 SiC 供應的擔憂
安森美投入巨資打造全整合且成熟的 SiC 供應鏈和生態系統，包括晶圓外延和 150mm 制造（計劃向200mm發展），涉及分立產品、集成電路器件、模塊和參考應用設計。經過十多年的發展，安森美積累了深厚的專業知識，可以幫助汽車 OEM 廠商消除對于轉用 SiC 的各種擔憂。
作者：安森美汽車主驅解決方案高級產品線經理 Jonathan Liao
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