EV 動(dòng)力總成系統(tǒng)利用 WBG 器件提高能效

汽車行業(yè)對(duì)提高燃油效率和減少 CO 2排放的雙重追求為支持這些平臺(tái)的傳感器系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的所有其他部件帶來了許多技術(shù)問題。電動(dòng)汽車 (EV) 正受益于技術(shù)進(jìn)步，這些進(jìn)步帶來了更低的價(jià)格，同時(shí)還提供了許多消費(fèi)者想要的更高的續(xù)航里程。市場(chǎng)受到更高容量電池、更高效電動(dòng)機(jī)和用于整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的創(chuàng)新寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體解決方案的混合驅(qū)動(dòng)。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等 WBG 材料具有卓越的固有特性，可提供各種系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)以提高性能。

電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成系統(tǒng)涉及多種解決方案，從車載充電器到電池及其管理系統(tǒng)。今天的電池驅(qū)動(dòng)了整體成本，這主要取決于每個(gè)電池的成本及其機(jī)械保護(hù)外殼。電池的大小是電池壽命和成本之間的折衷：更多的電池意味著更多的自主權(quán)，但同時(shí)也更昂貴。

電池、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、車載充電器和牽引逆變器都包含在混合動(dòng)力和電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的不同外殼中。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以利用單個(gè)域控制器和功率級(jí)來集成這些系統(tǒng)。這有助于他們提高效率和可靠性，同時(shí)降低成本并滿足功能安全標(biāo)準(zhǔn)。

用于電動(dòng)汽車的 WBG 半導(dǎo)體

電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 的制造商正在為多個(gè)動(dòng)力總成階段尋找高效的動(dòng)力轉(zhuǎn)換解決方案。WBG 半導(dǎo)體在幾個(gè)方面提供了優(yōu)于硅的性能優(yōu)勢(shì)：更高的效率和開關(guān)頻率，以及承受更高工作溫度和電壓的能力。

GaN 的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，約為硅的 1.1 eV 的 3 倍。這表明在半導(dǎo)體的導(dǎo)電帶中激發(fā)一個(gè)價(jià)電子需要更多的能量。盡管這一特性限制了 GaN 在超低電壓應(yīng)用中的適用性，但它確實(shí)允許更高的擊穿電壓和更高溫度下的熱穩(wěn)定性。

因?yàn)樾枰嗟哪芰縼砑ぐl(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價(jià)電子，所以可以實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。碳化硅 MOSFET 的主要優(yōu)點(diǎn)是低漏源導(dǎo)通電阻 (R DS(on) )，在相同擊穿電壓下比硅器件低 300 倍至 400 倍。

更小的電路和更輕的重量，以及改進(jìn)的重量分布和更低的總功耗，都是在逆變器中采用 SiC 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)?SiC MOSFET 可以在更高的開關(guān)頻率下工作，從而使逆變器的許多電路組件變得更小。與傳統(tǒng)的硅功率半導(dǎo)體相比，SiC 器件還可以在更高的電壓和電流下工作，從而提高功率密度并降低開關(guān)損耗，即使在高溫下也是如此。

GaN 和 SiC 解決方案

為了使 EV 能夠更快地充電，汽車電力電子設(shè)計(jì)人員需要 GaN 和 SiC 器件以及能夠滿足 EV 效率和功率密度要求的新動(dòng)力總成架構(gòu)。為了在給定電池容量的情況下獲得最大的充電續(xù)航里程，整個(gè)電源轉(zhuǎn)換鏈必須達(dá)到可能的最大效率。電池必須具有非常高的能量存儲(chǔ)密度。電動(dòng)汽車的電池壽命直接反映了其動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率。

GaN 是制造高效電壓轉(zhuǎn)換器、功率 MOSFET 和肖特基二極管的硅的有吸引力的替代品，因?yàn)樗@著提高了功率轉(zhuǎn)換級(jí)的效率。與硅相比，GaN 提供了重要的改進(jìn)，例如更高的能效、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

GaN 和 SiC 都具有大的帶隙。雖然這些材料都很好用，但它們的特性、應(yīng)用和柵極驅(qū)動(dòng)要求都是獨(dú)一無二的。在大功率和超高壓（650 V 以上）應(yīng)用中，SiC 晶體管可能會(huì)與 IGBT 晶體管競(jìng)爭(zhēng)。在電壓高達(dá) 650 V 的電源應(yīng)用中，GaN 可能會(huì)與當(dāng)前的 MOSFET 和超結(jié) MOSFET 競(jìng)爭(zhēng)。

圖 1：硅和 WBG 功率半導(dǎo)體應(yīng)用的系統(tǒng)功率水平作為工作頻率的函數(shù)。。（來源：意法半導(dǎo)體）

電動(dòng)汽車中的牽引逆變器需要具有數(shù)百安培電流能力的電源開關(guān)來支持?jǐn)?shù)百千瓦的功率。這些系統(tǒng)更適合 IGBT 或 SiC MOSFET。另一方面，額定功率高達(dá) 25 kW 的車載充電器和 HV-to-LV DC/DC 轉(zhuǎn)換器非常適合 GaN。

SiC 1,700-V 技術(shù)是硅 IGBT 的替代品。SiC 技術(shù)在降低系統(tǒng)尺寸和重量的同時(shí)提供更高的開關(guān)頻率，而由于開關(guān)頻率限制以避免額外的損耗，硅會(huì)在電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中做出妥協(xié)。SiC 的物理特性為大功率電子設(shè)備提供了理想的物理結(jié)構(gòu)，從而改善了重量和形狀方面的形狀因數(shù)，這對(duì)于汽車應(yīng)用至關(guān)重要。

Microchip Technology Inc. 的全新SiC 產(chǎn)品線MSC035SMA170B 系列通過使用具有更少組件和更簡(jiǎn)單控制方法的兩級(jí)拓?fù)?，解決了 IGBT 的挑戰(zhàn)。由于沒有開關(guān)限制，電源轉(zhuǎn)換設(shè)備可能更小更輕，從而可以安裝更多充電站，并擴(kuò)大重型卡車、電動(dòng)巴士和其他電池供電商用車輛的續(xù)航里程和運(yùn)行時(shí)間。

Microchip 強(qiáng)調(diào)了新產(chǎn)品組合的主要特性：穩(wěn)定的閾值電壓、無退化的體二極管、最小的 R DS(on)過溫增加、無與倫比的雪崩耐用性以及類似于 IGBT 的短路耐受時(shí)間。

圖 2：Microchip Technology 的 SiC 電源解決方案。。（來源：微芯科技）

GaN 是一種用途極其廣泛的半導(dǎo)體材料，可以在高溫和高壓下工作，有助于有效滿足各種通信和工業(yè)設(shè)計(jì)的要求。電動(dòng)汽車領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一是快速高效充電的發(fā)展。GaN 技術(shù)可以提供快速充電，以更有效的方式使用能源。

一個(gè)例子是德州儀器公司的GaN FET 解決方案，該解決方案具有集成的柵極驅(qū)動(dòng)器，可將功率密度翻倍，同時(shí)將尺寸減小約 60%，并實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2.2 MHz 的開關(guān)速率。這些 GaN FET 不僅具有集成的柵極驅(qū)動(dòng)器，而且還具有溫度傳感器，允許有源電源管理以動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。

由于不同的制造技術(shù)，“標(biāo)準(zhǔn)”FET 及其柵極驅(qū)動(dòng)器在大規(guī)模電源系統(tǒng)中獨(dú)立使用。這會(huì)添加到寄生電感中，從而降低 GaN 的開關(guān)能力。開關(guān)損耗因共源電感而大大增加。

公式 E 要求

電動(dòng)方程式是唯一一項(xiàng)測(cè)試下一代電動(dòng)汽車最新技術(shù)的賽車賽事。電動(dòng)方程式賽車的核心是它的動(dòng)力單元，即推進(jìn)系統(tǒng)，它由三個(gè)元件組成：電池、逆變器和電機(jī)。逆變器是系統(tǒng)的大腦。它負(fù)責(zé)將來自電池的直流電轉(zhuǎn)換成高密度的交流電，然后發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，在減速過程中，再生電機(jī)制動(dòng)被激活，電流沿反向路徑流動(dòng)。

功率密度（或每單位表面的電流）、重量功率比和即時(shí)全功率可用性都是公式 E 的強(qiáng)制性要求。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是逆變器的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性，因?yàn)轶w積小–生產(chǎn)要求和更手動(dòng)的逆變器組裝過程。

此外，冷卻液的選擇和冷卻特性可以更自由地選擇，冷卻系統(tǒng)的允許壓降更高。

與許多其他應(yīng)用一樣，F(xiàn)ormula E 硅 IGBT 模塊已逐漸被 SiC MOSFET 器件取代，這是一種很有前途的替代技術(shù)。由于重量輕和效率提高是關(guān)鍵因素，F(xiàn)ormula E 可以受益于逆變器設(shè)計(jì)中 SiC MOSFET 的低損耗。

例如，Hitachi ABB Power Grids 的RoadPak 1.2-kV SiC MOSFET 半橋模塊（如圖 3 所示）具有小尺寸 (<70 × 75 mm) 和具有低損耗和高可靠性的最新一代 SiC MOSFET滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的需求。

圖 3：日立 ABB 電網(wǎng) RoadPak 1.2kV SiC MOSFET 半橋模塊（來源：日立 ABB 電網(wǎng)）

EV 市場(chǎng)的 RoadPak 基線設(shè)計(jì)基于 8 個(gè)并行 SiC 芯片，可在不改變外形的情況下增加到 10 個(gè)。這是最實(shí)用的解決方案，因?yàn)橹圃熘械牧悸侍魬?zhàn)限制了增加單個(gè) SiC 芯片的活性表面。目前市場(chǎng)上的 SiC MOSFET 的有源面積小于 30 mm 2。

Formula E 正在突破電力電子技術(shù)的極限，帶來一系列新的 SiC 解決方案。通過提供更簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更好的性能，電動(dòng)汽車將受益于新的 SiC 電源解決方案。它們還將延長(zhǎng) EV 的電池壽命，并且通過改進(jìn)的車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器使電池充電速度更快。

芯片公司和 Formula E 之間的眾多合作伙伴關(guān)系將使電動(dòng)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。

審核編輯 黃昊宇