再生功率效率正在成為真正的差異所在

UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla

電動車背后的推動力量已經(jīng)到達臨界點，很難想象馬路上不存在大量電動車的未來圖景。這會改變很多事情，不僅僅是我們的購買偏好和駕駛習(xí)慣，還有我們對于出行的思考方式。

想象一下亨利·福特成功之前的世界。加油站少得可憐，早期的車主常常將燃料罐綁在車外攜帶。里程焦慮不是什么新事物。然而，確實沒有什么人考慮內(nèi)燃機車輛加一次油需要多長時間。反正總比喂馬和飲馬要快。事實上，這可能是擁有汽車的主要吸引力之一，那就是不用考慮那么多。機械師取代了馬車夫，真實的擁有成本終于顯現(xiàn)出來了，不過輪子已經(jīng)轉(zhuǎn)動起來了。

在這里，輪子轉(zhuǎn)動起來了不僅僅一個比喻，因為這才是最終核心。改用電動車意味著這些輪子現(xiàn)在將借助電動機轉(zhuǎn)動，而不是往復(fù)式動力機，不過目標(biāo)是相同的。然而，有一個明顯的不同之處，那就是能量的轉(zhuǎn)化方式。采用內(nèi)燃機時，燃料內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成動能（運動），這些能量隨后會轉(zhuǎn)變成所有能量的熵態(tài)，也就是熱量，以實現(xiàn)運動。

在采用電動車時，這個過程中會多一個階段，那就是捕獲未使用的動能。這就是再生制動，但是它的真正意義在于使用車輛的動力來轉(zhuǎn)動電動機，而不是反過來。這會讓電動機變成發(fā)電機，而產(chǎn)生的電力會被送回電池中。此舉可以延長電動車的單次充電行駛里程，但是能延長多少取決于再生階段的效率。

這個電動機/發(fā)電機已經(jīng)過優(yōu)化，在電動機模式和發(fā)電機模式下都能高效工作。另一個重要階段是逆變器。它是將電池的高壓轉(zhuǎn)變交流電以便驅(qū)動電動機的電路。交流電波形的波幅和頻率將決定旋轉(zhuǎn)速度。通常，牽引電動機是三相的，因此逆變器需要利用直流電池電壓生成三個交流循環(huán)。差不多就是將800 V直流電轉(zhuǎn)化成180 kW左右的交流電，因此，這個階段的效率對整體性能和車輛制造商實現(xiàn)的單次充電行駛里程至關(guān)重要。

大量設(shè)計工作集中在這里也就不足為奇了。盡可能提高逆變器效率意味著使用損耗盡可能低的組件。直到最近，IGBT都一直保持著導(dǎo)電損耗方面的優(yōu)勢，代價是關(guān)閉時的開關(guān)損耗明顯較高。因為典型的電動機開關(guān)頻率相對較低，所以很好權(quán)衡，尤其是在考慮到IGBT的低成本后。在這個應(yīng)用領(lǐng)域中，碳化硅（SiC）FET一直在穩(wěn)步取代IGBT，因為它具有更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗。這有兩個原因。首先，如上文所述，由于雙極電流帶來的陷阱電荷，IGBT的關(guān)閉速度慢。而SiC FET則由于只有電子流動，打開和關(guān)閉的速度都快，因而開關(guān)損耗小。更重要的是，IGBT的電流路徑上始終有一個PN結(jié)，或者來自IGBT自身，或者來自其反并聯(lián)二極管（分別出現(xiàn)在正向?qū)щ姾头聪驅(qū)щ娗闆r下）。由于SiC材料的電阻較低，且沒有PN結(jié)壓降，SiC FET在所有電流等級下的導(dǎo)電損耗均較小，但是在小功率下優(yōu)勢明顯，而電動車很多時候都在小功率下運行。SiC FET不需要反并聯(lián)二極管，因此無論正向電流還是反向電流（在開關(guān)死區(qū)時間后）都沒有“膝點”電壓。

運行模式與功率因數(shù)（PF）相關(guān)。如果功率因數(shù)為正，則電路為逆變器模式，從電池獲取能量來驅(qū)動電動機。如果功率因數(shù)為負，則電路成為整流器，將能量輸送回電池。理想情況下，功率因數(shù)要盡可能接近+1或-1，以實現(xiàn)最大效率。

改變功率因數(shù)能突顯所用FET的損耗。此處的關(guān)鍵指標(biāo)是正向和反向?qū)щ姄p耗，以及打開和關(guān)閉時的開關(guān)損耗。這些加起來就得到了每個FET的總損耗。在逆變器或整流器模式下，大部分導(dǎo)電損耗分別來自正向或反向電流。請注意，正向電流從漏極流向源極（使用IGBT時則是從集電極流向發(fā)射極）。用于電動機的IGBT僅正向?qū)щ姡虼诵枰床⒙?lián)二極管來傳導(dǎo)反向電流。這意味著電流方向不同，導(dǎo)電損耗和由此而來的IGBT和二極管熱量也會不同。SiC FET則在正向電流和反向電流下都有相同的導(dǎo)電損耗（在死區(qū)時間后），且電流經(jīng)過相同的芯片，因此芯片利用率更高，功率密度也更高。

在進行設(shè)計以便在逆變器模式和整流器模式下獲得高能效時，有一個要檢查的指標(biāo)是反向恢復(fù)電荷，還有每個FET在打開時的開關(guān)損耗。例如，如果在頂半部后打開的半橋底部FET的電流反向流動，頂部會經(jīng)歷反向恢復(fù)。這會導(dǎo)致殘余電流流入半橋的底部FET，從而提高打開時的開關(guān)損耗。因此，反向恢復(fù)電荷是重要的FET參數(shù)。事實上，正是因為SiC器件的反向恢復(fù)電荷很低，它才能普遍取代IGBT，將效率提高幾個百分點。這會帶來單次充電行駛里程或車輛成本方面的切實好處。

UnitedSiC在這些應(yīng)用領(lǐng)域進行過幾次實驗，來比較SiC FET與IGBT。UnitedSiC還分享了設(shè)計工具，讓工程師們能夠快速模擬其零件在不同運行條件下的性能，如功率因數(shù)、電池電壓、相數(shù)和電動機輸出功率。

有一件事是肯定的，再生制動與最終消費者的關(guān)系正在變得更密切，并且應(yīng)在設(shè)計階段認真考慮效率等級。