打破電動汽車“里程焦慮”，主驅能效如何升級？

因續(xù)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(xù)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(xù)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(xù)到2025年左右，屆時價格將趨于穩(wěn)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(tǒng)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(xù)時間長達30秒(s)的超過600 A的峰值交流電流，以及持續(xù)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(yè)具挑戰(zhàn)性的成本目標。

開關和功率密度

現(xiàn)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(shù)，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(xù)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(tài)損耗，而柵極電荷(Qg)的改進可減少動態(tài)或開關損耗，使系統(tǒng)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(wěn)定可靠且經過驗證的溝槽(Trench) UFS IGBT技術，提供高電流密度、穩(wěn)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(yōu)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(wěn)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(xiàn)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(xiàn)熱管理，同時持續(xù)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(lián)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(shù)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(zhàn)。由于政府要求，且人們期望改善環(huán)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(xù)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(xiàn)這的最佳途徑是提高能效，這不僅延長續(xù)航里程，還增加功率密度和提升可靠性。

半導體開關是實現(xiàn)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