【導(dǎo)讀】近幾年新能源車發(fā)展迅猛，技術(shù)創(chuàng)新突飛猛進(jìn)。如何設(shè)計(jì)更高效的牽引逆變器使整車獲得更長的續(xù)航里程一直是研發(fā)技術(shù)人員探討的最重要話題之一。高效的牽引逆變器需要在功率、效率和材料利用率之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?/span>
近幾年新能源車發(fā)展迅猛，技術(shù)創(chuàng)新突飛猛進(jìn)。如何設(shè)計(jì)更高效的牽引逆變器使整車獲得更長的續(xù)航里程一直是研發(fā)技術(shù)人員探討的最重要話題之一。高效的牽引逆變器需要在功率、效率和材料利用率之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>
當(dāng)前新能源汽車牽引逆變器的功率半導(dǎo)體器件幾乎都是基于單一的硅基(Si) 或者碳化硅基（SiC）。Si IGBT 或?qū)拵?SiC MOSFET功率半導(dǎo)體具有不同的性能特點(diǎn)，可以適合不同的目標(biāo)應(yīng)用。單一性質(zhì)的IGBT器件或SiC器件在逆變器應(yīng)用中很難同時(shí)滿足高效和成本的要求。
如今越來越多的設(shè)計(jì)人員希望以創(chuàng)造性的方式使用和組合半導(dǎo)體材料，以尋找Si和SiC的最佳平衡點(diǎn)。創(chuàng)新方法挑戰(zhàn)了以往某些應(yīng)用被鎖定在特定一種半導(dǎo)體材料上的既定觀念。例如，過去人們認(rèn)為逆變器的設(shè)計(jì)必須使用相同的半導(dǎo)體材料?，F(xiàn)在，融合技術(shù)正在將為新的設(shè)計(jì)可能性鋪平道路。英飛凌將不同的半導(dǎo)體材料創(chuàng)新性地結(jié)合到新型逆變器設(shè)計(jì)中，在成本和性能優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的平衡。
本文將探討英飛凌在混合式功率半導(dǎo)體創(chuàng)新技術(shù)方面為高效牽引逆變器在效率、成本和可持續(xù)性之間尋找更好的平衡點(diǎn)。
SiC mosfet 和Si IGBT 的性能對(duì)比
在探討新能源車的牽引逆變器功率器件首選是SiC還是Si 器件之前，我們先簡(jiǎn)單對(duì)比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性：
從導(dǎo)通特性看，由于不同的物理結(jié)構(gòu)，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。SiC MOSFET導(dǎo)通特性表現(xiàn)得更像一個(gè)電阻輸出特性，而IGBT 則表現(xiàn)出一個(gè)非常明顯的拐點(diǎn)(Knee Voltage)特性。這種技術(shù)上的差異即表現(xiàn)出兩種器件不同的導(dǎo)通損耗特點(diǎn)。在電流較小時(shí)，SiC mosfet 具有更小的導(dǎo)通損耗，當(dāng)電流較大（超過曲線交點(diǎn)）時(shí)，IGBT 的導(dǎo)通損耗則更小。
從開關(guān)特性看，IGBT屬于雙極性器件，在關(guān)斷時(shí)由于少子的復(fù)合肯定會(huì)造成拖尾電流，使其開關(guān)損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關(guān)速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關(guān)損耗對(duì)比IGBT具明顯優(yōu)勢(shì)。
綜上，SiC MOSFET器件并不是在所有負(fù)載條件下，都具有壓倒性的性能優(yōu)勢(shì)。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時(shí)需要考慮一個(gè)盈虧平衡點(diǎn)。
新能源車動(dòng)力配置布局
新能源電動(dòng)汽車的性能分配有多種選擇，主流方案就是在主驅(qū)動(dòng)軸和副驅(qū)動(dòng)軸之間進(jìn)行分配。在我們的示例中（圖3），主驅(qū)動(dòng)軸始終處于嚙合狀態(tài)，滿足低功率常規(guī)續(xù)航駕駛模式，副驅(qū)動(dòng)軸可提供額外扭矩，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)能力和最佳加速性能。當(dāng)前市場(chǎng)上可以看到的配置基本分為 1)主驅(qū)動(dòng)軸和輔驅(qū)動(dòng)軸均采用了SiC功率器件; 2)主驅(qū)動(dòng)軸采用高性能SiC 功率器件，而輔驅(qū)動(dòng)軸則采用更具性價(jià)比的IGBT功率器件。這也是當(dāng)今電動(dòng)汽車的典型配置，這些方案均是建立在逆變器中使用單一的功率器件，較難做到效率和成本之間的平衡。在評(píng)估上述方案的優(yōu)劣之前，我們需要先從電動(dòng)汽車的駕駛工況來分析。真實(shí)的駕駛工況對(duì)牽引逆變器的需求是什么？
標(biāo)準(zhǔn)駕駛工況WLTP 與峰值性能需求
全球輕型汽車測(cè)試程序（WLTP）的駕駛周期反映了接近真實(shí)的駕駛?cè)蝿?wù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化，它為電動(dòng)車制造商和消費(fèi)者提供了比較不同車輛效率的參考值。
對(duì)于電動(dòng)汽車來說，它以一定距離的能量消耗來表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加侖汽油當(dāng)量英里數(shù)"（MPGe）來表示，這一指標(biāo)也可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行比較。
WLTP 駕駛循環(huán)（圖4）與其他任務(wù)剖面圖類似，由23.3 公里距離內(nèi)1800 秒的各種加速、減速和性能周期組成。鑒于駕駛方式的不同，對(duì)于WLTP 是否反映了真實(shí)世界的駕駛情況存在不同意見。但它適合作為評(píng)定汽車效率的依據(jù)。WLTP 任務(wù)描述允許電動(dòng)車制造商計(jì)算特定車輛所需的電機(jī)性能及其關(guān)鍵參數(shù)，如重量、風(fēng)阻、駕駛效率、加速度和能量回收。
從上面的WLTP 典型的駕駛工況曲線來看，超過105km/h高速工況需求的時(shí)間占比大約只有10%左右，而大約3/4的時(shí)間內(nèi)車速需求是小于75km/h。
以一輛重1500 千克的汽車為例，計(jì)算出的數(shù)值繪制成直方圖（圖5）。該圖表顯示，電動(dòng)車牽引逆變器的最大輸出功率需要約50 KW。這說明對(duì)于電動(dòng)汽車的加速、達(dá)到峰值速度所需的實(shí)際功率是非常小的。在發(fā)電模式下（見圖5 中的紫色條），最大功率約為28 KW。
性能與成本
——Si還是SiC，主驅(qū)逆變器如何選擇？
我們知道，牽引逆變器對(duì)電動(dòng)汽車的整體性能和效率起著決定性作用。更仔細(xì)地審視逆變器的設(shè)計(jì)，成本效益和合理的額定功率以及合理的效率水平是面向更廣泛市場(chǎng)的電動(dòng)汽車取得成功的關(guān)鍵因素。在這個(gè)層面上，簡(jiǎn)單地說，我們要評(píng)估的是整個(gè)驅(qū)動(dòng)任務(wù)剖面的最低性能和所需的峰值性能。
這些分析將可以更好地讓我們理解哪種半導(dǎo)體技術(shù)（Si 或SiC）更適合。
在前面的例子中，80 KW的電機(jī)可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的WLTP 驅(qū)動(dòng)循環(huán)，從而滿足大多數(shù)駕駛要求。如果使用碳化硅來提高汽車的額定功率，那么多余的功率在大多數(shù)情況下都會(huì)被"閑置"。但是在某些情況下，80 KW可能不足以實(shí)現(xiàn)"有趣動(dòng)感"（運(yùn)動(dòng)型）的駕駛體驗(yàn)。因此，可以添加一些硅來提高車輛的峰值性能。例如，硅部件能夠額外提供160千瓦的功率。這將使汽車具有非常動(dòng)感的駕駛加速性能。在另一方面，這些數(shù)值可以縮減到40 kW SiC 和80 kW Si，從而實(shí)現(xiàn)120kW 的入門級(jí)電動(dòng)汽車功率。
至于如何在牽引逆變器內(nèi)分配Si 和SiC 芯片，取決于研發(fā)設(shè)計(jì)師。鑒于有多種選擇，深入研究一下電力傳動(dòng)系統(tǒng)的配置是很有意義的。
對(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，尤其是牽引逆變器，不同的技術(shù)方案具有不同的效率、性能和成本優(yōu)勢(shì)，如下1~5配置。
1. 單電驅(qū)，高性能和長續(xù)航要求---大功率碳化硅逆變器
2. 單電驅(qū)，適當(dāng)調(diào)整車輛性能---小功率碳化硅逆變器
3. 單電驅(qū)，成本優(yōu)化的解決方案---IGBT逆變器
4. 雙電驅(qū)，高性能和長續(xù)航要求---SIC逆變器作為主驅(qū)續(xù)航，IGBT 逆變器作為輔驅(qū) 提供加速動(dòng)力
5. 新型電驅(qū)，成本優(yōu)化，高性能和長續(xù)航要求----單逆變器中融合SiC+IGBT，SiC維持高效率續(xù)航運(yùn)行，SiC+IGBT 提供峰值搞性能
雙電驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)眾所周知，下圖7 對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)。其設(shè)計(jì)的初衷，SiC在中小功率等級(jí)使用時(shí)具有更低的損耗、更高的效率，而IGBT在大功率輸出時(shí)相對(duì)更有優(yōu)勢(shì)。為了充分發(fā)揮SiC和IGBT 各自的優(yōu)點(diǎn)，雙電驅(qū)可以采用不同半導(dǎo)體器件進(jìn)行搭配。
. 主驅(qū)使用SiC, 保持持續(xù)運(yùn)行且覆蓋90%以上的WLTP驅(qū)動(dòng)周期。
. 輔驅(qū)采用IGBT，提供額外的扭矩，以提供4輪驅(qū)動(dòng)能力和最大性能。
在這種配置（圖6中 配置2 + 配置3 的組合）中，使用了Si 和SiC 技術(shù)，但部署在不同的電驅(qū)上。
電動(dòng)車系統(tǒng)的牽引逆變器中Si和SiC 布局
融合技術(shù)？——將Si和 SiC融合在同一個(gè)牽引逆變器
上個(gè)章節(jié)講到電動(dòng)汽車的性能分配有多種選擇，最明顯的就是在主驅(qū)動(dòng)橋和副驅(qū)動(dòng)橋之間進(jìn)行分配。在我們的示例中（圖8），配置1 和2 在后軸或前軸上使用了全部的碳化硅。而配置3 和4 則使用了融合技術(shù)牽引逆變器。這些方案在效率和成本之間可以實(shí)現(xiàn)良好的平衡。在融合技術(shù)中，硅芯片和碳化硅芯片在同一牽引逆變器中并行運(yùn)行。為了理解為什么融合技術(shù)牽引逆變器的效率比其他配置更高，讓我們更深入地了解一下不同的驅(qū)動(dòng)情況。
我們可以仔細(xì)觀察融合技術(shù)牽引逆變器內(nèi)部的能量流（圖9）。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下，后軸上的SiC 用于加速，而前后軸上的SiC（66% 至33% 的份額）用于平穩(wěn)減速。這種負(fù)載情況與大多數(shù)駕駛條件和WLTP 測(cè)試條件相當(dāng)，加速和減速完全由SiC 和所需的電驅(qū)控制。當(dāng)功率需求達(dá)到更高峰值水平時(shí)，加速時(shí)需要使用額外的Si。由于Si在高負(fù)載時(shí)具有更高的效率，因此此處僅使用Si進(jìn)行能量回收。
總而言之：融合技術(shù)牽引逆變器最有效地利用了不同半導(dǎo)體功率器件的不同優(yōu)勢(shì)，從而可以為高效、經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)汽車做出了的貢獻(xiàn)。
不同的驅(qū)動(dòng)控制策略實(shí)現(xiàn)融合技術(shù)
在牽引逆變器中的應(yīng)用
根據(jù)上述原理，這些技術(shù)可以通過不同的組合方式實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)。那如何考慮其驅(qū)動(dòng)策略？
在只使用一種半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)牽引逆變器中，由于只使用了Si 或SiC，因此不需要特別的驅(qū)動(dòng)策略。但融合技術(shù)牽引逆變器采用了Si和SIC并聯(lián)運(yùn)行，因此也需要特殊的驅(qū)動(dòng)控制策略。
下圖概述了融合技術(shù)牽引逆變器的不同運(yùn)行模式下， SiC 和Si 半導(dǎo)體的不同驅(qū)動(dòng)運(yùn)行方式。
獨(dú)立運(yùn)行（"Ex"）
第一種選擇是獨(dú)立運(yùn)行模式，即單一時(shí)刻只有一種半導(dǎo)體（Si或SiC）運(yùn)行。以上面的示例參考，SiC 專門用于所有低于 80 kW 的功率需求。如果車輛要求牽引逆變器提供超過 80 kW 的輸出功率，SiC MOSFET將被關(guān)閉，取而代之的是 Si IGBT運(yùn)行。示例中逆變器中的碳化硅部分對(duì)最大輸出功率沒有貢獻(xiàn)，這顯然是該方案的主要缺點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn) 獨(dú)立運(yùn)行"排他性操作"，則需要兩個(gè)柵極信號(hào)（"Ex2G"）來獨(dú)立控制兩種半導(dǎo)體器件。
并行控制（"S"）
在這里，Si和SiC總是并聯(lián)使用。這克服了獨(dú)立運(yùn)行模式的缺點(diǎn)。一個(gè)柵極信號(hào)用于在兩種技術(shù)之間切換。柵極路徑的調(diào)整對(duì)于匹配開啟和關(guān)閉行為以及實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)行為十分必要。必須通過設(shè)計(jì)和技術(shù)確保所有獨(dú)立開關(guān)之間的電流共享。然而，以Vds電壓低于0.7 V 為例，碳化硅區(qū)域?qū)鲗?dǎo)大部分電流，超過這一限制后，硅將增加其電流份額。通過設(shè)置芯片區(qū)域的尺寸，可以優(yōu)化這些值，以實(shí)現(xiàn)效率和驅(qū)動(dòng)能力需求。
并行模式有兩種實(shí)施方案——單柵極方案（S1G）或雙柵極方案（S2G）。由于兩種半導(dǎo)體同時(shí)運(yùn)行，一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)就足夠了。在調(diào)整技術(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以自由選擇從微控制器發(fā)出一個(gè)PWM 信號(hào)，然后通過一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和外部適配電路將PWM輸送到兩個(gè)柵極（S2G）；或者只使用一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)柵極引腳（S1G），而在功率模塊中對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立匹配。對(duì)于用戶來說，S1G 是一種相當(dāng)方便的解決方案，但與S2G 相比，改變參數(shù)的自由度較低。
單獨(dú)控制（"In"）
第三種方案需要獨(dú)立控制兩種半導(dǎo)體芯片。這需要為每組開關(guān)提供兩個(gè)PWM 信號(hào)。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是可對(duì)兩種開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并可在控制策略內(nèi)在線自由調(diào)整PWM 模式。由于SiC的開關(guān)速度可能比Si快，因此可以調(diào)節(jié)不同的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)刻，以優(yōu)化瞬態(tài)電流分擔(dān)，最大限度地減少每種半導(dǎo)體芯片的過載。根據(jù)使用情況，由此產(chǎn)生的操作可在獨(dú)占模式和同步模式之間無縫切換。在發(fā)生故障時(shí)，甚至可以實(shí)現(xiàn)一種"跛行回家"模式，即關(guān)閉一種半導(dǎo)體芯片的運(yùn)行，系統(tǒng)切換到剩余的半導(dǎo)體芯片運(yùn)行，做到"跛行回家"。
單獨(dú)控制模式需要兩個(gè)柵極（In2G），因此設(shè)置更為復(fù)雜，但另一方面，它充分利用了融合技術(shù)牽引逆變器的優(yōu)勢(shì)。它還提供了兩種技術(shù)之間的冗余（故障切換）。
不同的實(shí)施模式有何不同？
圖10 顯示了不同的融合技術(shù)牽引逆變器驅(qū)動(dòng)策略的實(shí)現(xiàn)方法，使我們能夠識(shí)別和比較這些不同。圖11 總結(jié)了每種實(shí)施方法的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。如圖所示，每種控制策略在某些用例中都具有優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。合適的產(chǎn)品和工程能力往往決定了實(shí)施的可行性。基于這些邊界條件，不同的細(xì)分市場(chǎng)將可以采用不同的融合技術(shù)牽引逆變器控制策略。
單獨(dú)控制模式（In2G）是一個(gè)不錯(cuò)的驅(qū)動(dòng)策略，因?yàn)樗哂谐浞值撵`活性，為高度復(fù)雜的軟件策略打開了大門，可優(yōu)化不同半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)的電氣效率、BOM、成本和使用壽命等變量。這種模式甚至可以支持"故障運(yùn)行"功能。因此，融合技術(shù)牽引逆變器的優(yōu)勢(shì)不僅限于最初明顯的成本和材料可用性優(yōu)勢(shì)，還能為未來的新能源汽車提供新的技術(shù)方向。
Si和SiC融合技術(shù)將是一種非常有效的解決方案，可以瞄準(zhǔn)需要在效率、成本和可用性之間取得良好平衡的細(xì)分市場(chǎng)。
英飛凌目前正在擴(kuò)大其產(chǎn)品組合，以充分發(fā)揮融合技術(shù)在逆變器應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。從Si 和SiC 裸芯片到分立器件、功率模塊，再到支持兩種技術(shù)的混合模塊，英飛凌的產(chǎn)品范圍十分廣泛。
英飛凌第一款750V Si/SiC 混合功率模塊已經(jīng)面向市場(chǎng)推廣。英飛凌利用其最新Si和SiC芯片開關(guān)性能良好的匹配特性，第一款 混合功率模塊可以采用常規(guī)單通道驅(qū)動(dòng)模式，不增加系統(tǒng)控制復(fù)雜性 同時(shí)電控系統(tǒng)的性能可以獲得提升。如下圖所示，根據(jù)仿真175KW 400V BEV 電驅(qū)平臺(tái) 采用英飛凌混合模塊對(duì)比采用純IGBT 模塊，WLTP工況駕駛里程可以提高2.9% 。
（作者：Devin XU，本文轉(zhuǎn)載自：英飛凌汽車電子生態(tài)圈）
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