如何將 SiC 技術(shù)用于功率逆變器

將 SiC 技術(shù)用于功率逆變器是增加扭矩和加速度以及提升汽車整體性能的好方法。

安森美半導體在電動方程式世界錦標賽中與梅賽德斯-EQ 方程式 E 合作開發(fā)下一代電動動力系統(tǒng)。安森美半導體與梅賽德斯 AMG 的高功率性能 （HPP） 部門之間的技術(shù)合作為賽車提供了技術(shù)改進。

在接受 EE Times 采訪時，安森美半導體全球系統(tǒng)工程副總裁 Dave Priscak 強調(diào)了設計和測試如何在 Formula E 中齊頭并進，從而實現(xiàn)逆變器功率級的持續(xù)改進。

“當我們開始參加 Formula E 時，我們作為贊助商加入，只與梅賽德斯車隊 PETRONAS 合作——我們正在尋找一些方法來展示我們?yōu)殡妱悠?（EV） 市場所做的和正在做的事情。但很快，通過與他們的開發(fā)團隊合作，我們意識到從工程的角度來看，我們可以互相學習很多東西。因此，它更像是一種伙伴關(guān)系，而不是贊助。我們的設計工程師正在與電動方程式的動力系統(tǒng)工程師合作，為電動方程式開發(fā)下一代牽引逆變器和動力傳輸系統(tǒng)。我們學到的大部分知識都可以應用于商業(yè)解決方案，但扭矩比與您發(fā)現(xiàn)的有很大不同在一輛普通的汽車里，”普里斯克說。

電動方程式賽車的核心是動力裝置，即推進系統(tǒng)，它由三個元件組成：電池、逆變器和電機。逆變器是系統(tǒng)的大腦。它負責把從電池中取出的直流電轉(zhuǎn)換成高密度的交流電送至發(fā)動機。然而，在減速期間，再生電機制動被激活，電流沿反向路徑流動。電動方程式是唯一一項測試下一代電動汽車最新技術(shù)的賽車賽事。

碳化硅技術(shù)

作為寬帶隙半導體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量（3.2eV，約為硅的三倍，等于1.1eV）。因為需要更多的能量來激發(fā)半導體導電帶中的價電子，所以可以實現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫熱穩(wěn)定性。SiC MOSFET 的主要優(yōu)點是低漏源導通電阻 （R DS（ON） ），在相同擊穿電壓下比硅器件低 300-400 倍。

在逆變器中使用 SiC 技術(shù)的好處包括更小的電路和更輕的重量、改善重量分布和降低整體功耗。這是因為 SiC MOSFET 可以在更高的開關(guān)頻率下運行，從而減小了逆變器中所需的許多電路元件的尺寸。SiC 器件還可以在比標準硅功率半導體更高的電壓和電流下工作，即使在高溫下也能提高功率密度并降低開關(guān)損耗。

賽車逆變器

Formula E 提供了有關(guān)如何最大限度地提高效率和延長電池壽命的見解。Priscak 指出，如何在動力系統(tǒng)中盡可能高效地傳遞能量是設計的重點。

賽車需要能夠承受劇烈沖擊、強烈振動和極端溫度的技術(shù)。此外，半導體器件的效率越高，耗散的功率和浪費的熱量就越少，從而提高了每瓦功率比。與此同時，工程師們還致力于減少汽車的部件，以節(jié)省重量和空間。

正如 Priscak 指出的那樣，在 Formula E 領(lǐng)域，它幾乎完全是碳化硅。從電池到發(fā)動機的功率級非常簡單。然而，電機驅(qū)動是一個非常復雜的數(shù)學算法，但功率轉(zhuǎn)換與當前的電動汽車并沒有太大區(qū)別?！皢栴}在于，在 E 級方程式中，你必須在賽道上進行大約 45 分鐘的加速和制動。所以最大的挑戰(zhàn)是盡可能多地回收能量。這非常困難。因為你有大而短的爆發(fā)力，而電池無法吸收所有這些，”Priscak 說。

目前，動力總成面臨的一些最大挑戰(zhàn)是能夠在制動期間捕獲所有能量并實際為電池充電。比賽規(guī)則每場比賽只允許使用一個電池，因此我們的目標是研究這項技術(shù)，不僅要盡可能多地回收電池，還要盡可能高效地使用它。

電能存儲技術(shù)（通常被認為是電動汽車的最大推動力和限制因素）性能是為電動汽車電機提供電力的關(guān)鍵。有多種存儲電能的技術(shù)，例如超級電容器、化學電池、固態(tài)電池等。鋰離子 （Li） 化學電池目前在性能和商業(yè)可行性之間提供了最實用的平衡。

創(chuàng)造下一代柵極驅(qū)動器是安森美半導體關(guān)注的另一個領(lǐng)域，以最大化碳化硅 MOSFET 的導電面積?！安煌幵谟?，正如我之前所說，比賽只需要持續(xù) 45 分鐘，而賽車必須持續(xù) 10 年。因此，通過突破碳化硅的性能極限，我們正在學習如何最大限度地延長使用壽命。在 Formula E 中，我們專注于從數(shù)字處理器到電機的整個動力系統(tǒng)。因此，不僅僅是碳化硅，還有柵極設計、驅(qū)動器設計、隔離柵，以及所有決定動力總成效率的元素，”Priscak 說。

監(jiān)測在 Formula E 中至關(guān)重要。測量通過汽車循環(huán)的每一安培電流非常重要。每次加速、剎車或轉(zhuǎn)彎時，您不僅需要了解損失了多少能量，還需要了解可以恢復多少能量。Priscak 指出，如果駕駛員過于激進，電池將永遠無法用完。因此，需要監(jiān)控駕駛曲線，特別是加速和制動，分析傳動系統(tǒng)的各個方面。

“在所有這一切中，溫度是一件大事，無論是從電池的角度來看，以確保終端在加速過程中不會變得太熱，還是在所有功率級監(jiān)控溫度。有很多傳感器不僅可以用于電流和電壓，還可以用于溫度，”Priscak 說。

碳化硅是一種非常快速的高壓開關(guān)，Priscak 指出的最大挑戰(zhàn)是驅(qū)動電機?！半姍C是一個大電感，討厭快速開關(guān)。如果你有一個快速開關(guān)進入電機，電機需要一個正弦波。碳化硅的開關(guān)速度比感應負載所能承受的快得多。因此，我們驅(qū)動電機的方式需要不斷創(chuàng)新，”Priscak 說。

Formula E 正在突破電力電子技術(shù)的極限，并帶來一系列新的 SiC 解決方案。電動汽車將受益于新的 SiC 電源解決方案，因為它具有更簡單的冷卻系統(tǒng)、更長的續(xù)航里程和更好的性能。它們還將延長電動汽車的電池壽命，并且通過改進的車載充電器 （OBC） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電池充電速度將大大加快。芯片公司和 Formula E 之間的眾多合作伙伴關(guān)系將使電動汽車受益于眾多工程解決方案，不僅來自 SiC 芯片制造商，而且來自 GaN 芯片制造商。