碳化硅：成功的純電動汽車動力總成的基礎(chǔ)

電動汽車動力總成

我們向全電動交通的驅(qū)動力得益于強大、輕便和高效的電池供電電動汽車 （BEV） 動力系統(tǒng)。動力總成（圖1）包括：

帶有AC/DC轉(zhuǎn)換器的車載充電器，可將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換為DC中間電壓，以及DC/DC模塊，可將DC轉(zhuǎn)換為電池快速充電所需的電壓。充電器還將再生制動收集的能量引導(dǎo)至電池。理想情況下，它應(yīng)該是雙向的，以允許它利用未來的智能電網(wǎng)，并根據(jù)需要將能量輸送回電網(wǎng)或家庭。

電池組。

逆變器，它是為電機供電的傳動系統(tǒng)的一部分，通常是永磁同步電機（PMSM）或感應(yīng)電機。

BEV市場的成功取決于汽車制造商解決客戶的“里程焦慮”。為了增加BEV的續(xù)航里程或兩次充電之間的距離，汽車制造商可以增加電池尺寸，提高系統(tǒng)效率，減輕重量，或?qū)嵤┧羞@些選項的組合。

然而，額外的電池容量會增加BEV的重量和成本。因此，減輕動力總成系統(tǒng)的重量并提高其效率可以進一步增加BEV的續(xù)航里程或控制成本。

這方面的關(guān)鍵使能技術(shù)是碳化硅（SiC）。與傳統(tǒng)的硅 （Si） 技術(shù)相比，SiC 器件提供：

導(dǎo)通態(tài)壓降比硅低 2× 至 3×

在關(guān)斷狀態(tài)下的給定溫度下，漏電流低于Si

切換期間的邊沿速率更高，因為是多數(shù)載波器件

擊穿場比 Si 高 10×，允許 SiC 器件在同一封裝中承受更高的電壓

更高的導(dǎo)熱性可在更高的芯片溫度下安全運行

減重

將動力總成部件保持在安全工作溫度范圍內(nèi)所需的冷卻系統(tǒng)大大增加了BEV必須始終行駛的重量。碳化硅的高導(dǎo)熱性有助于更快地帶走熱量，而SiC器件在較高溫度下工作的能力減輕了熱解決方案的壓力。

碳化硅器件的工作開關(guān)頻率比硅器件高 100× 至 1，000×。這減小了轉(zhuǎn)換器所需的磁性元件的尺寸，從而進一步減小了系統(tǒng)尺寸和重量。

例如，BEV的硅基傳動系統(tǒng)可能超過15公斤。眾所周知，基于SiC的高性能逆變器可減輕6公斤的重量和43%的體積。四

提高效率

碳化硅更高的開關(guān)頻率和更低的固有損耗提高了系統(tǒng)效率。在雙向板載充電器中，SiC 支持使用圖騰柱 PFC 拓撲，與基于 Si 的器件相比，該拓撲結(jié)構(gòu)非常高效且具有成本效益。DC/DC 側(cè)將開關(guān)頻率納入 150kHz 至 300kHz 范圍，比基于 Si 的電路快 3×。

這種 6.6 kW 充電器的參考設(shè)計使用 16 個 SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 最新的碳化硅系列，以實現(xiàn)超過 96% 的峰值效率。5

革新逆變器設(shè)計

傳動系統(tǒng)是一項具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，因為它處理的功率范圍從 90 kW 到 350 kW 以上，并且沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，SiC的高效率、更小尺寸和更輕重量的優(yōu)點可以擴展到BEV傳動系統(tǒng)中的逆變器，這已經(jīng)通過測試得到了很好的證明。

根據(jù)德爾福對基于SiC和IGBT的30 kW逆變器的基準(zhǔn)比較，碳化硅技術(shù)可將系統(tǒng)尺寸縮小多達80%，損耗降低多達200%，并降低系統(tǒng)成本。6 由于BEV在道路上的大部分時間都不是在最佳滿載條件下行駛的，因此損失的減少進一步增加了續(xù)航里程的重要性。

在 300 kW 的更高功率下進行的另一項比較表明，CRD300DA12E-XM3 基于 SiC 的逆變器僅重 6.2 kg，而 14.06 kg Si 基設(shè)計，并且提供 32.25 kW/L 的體積功率密度，而 Si 的 3.2 kW/L.7

然而，革命超越了功率密度。碳化硅具有更快的開關(guān)速度、更低的死區(qū)時間以及更小的壓降和輸出電容，從而降低了相電壓失真和帶寬。除了逆變器級優(yōu)勢外，基于SiC MOSFET的設(shè)計還會影響電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能特性，例如提供更快的響應(yīng)，以及與基于硅的實現(xiàn)方案相比，具有更高的相對穩(wěn)定性和魯棒性。8

助力純電動汽車市場

毫不奇怪，功率SiC市場繼續(xù)增長，預(yù)計到3年將超過2025億美元大關(guān)，同比增長率高于13%，主要由電動汽車市場推動。9

從快速充電的車載外基礎(chǔ)設(shè)施到BEV動力總成，SiC技術(shù)正在迅速證明自己不僅是革命性的，而且是基礎(chǔ)性的，因為它幫助汽車制造商最終解決了消費者的里程焦慮。

審核編輯：郭婷