再生電源能效正在成為真正的差異化因素

電動(dòng)汽車背后的勢(shì)頭已經(jīng)達(dá)到了拐點(diǎn)，很難想象電動(dòng)汽車在我們的道路上不是一個(gè)重要存在的未來。這改變了很多，不僅僅是我們的購買偏好和駕駛習(xí)慣，還有我們對(duì)移動(dòng)性的思考方式。

想象一下亨利·福特之前的世界。加油的地方本來就很少，早期采用者通常會(huì)攜帶綁在車外的油罐。范圍焦慮并不是什么新鮮事。然而，很少考慮為由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛加油需要多長(zhǎng)時(shí)間。畢竟，它總是比喂馬和澆水更快。事實(shí)上，這可能是擁有汽車的主要吸引力之一;事實(shí)上，它需要的考慮要少得多。機(jī)械取代了穩(wěn)定的指針，真正的擁有成本最終會(huì)變得顯而易見，但車輪已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在這種情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)車輪不僅僅是一個(gè)隱喻，因?yàn)樽罱K這就是它的全部意義所在。向電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)變意味著這些車輪現(xiàn)在通過電動(dòng)機(jī)而不是往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，但目標(biāo)是相同的。然而，有一件事明顯不同，那就是能量的交換方式。使用內(nèi)燃機(jī)，化學(xué)能（燃料）轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（運(yùn)動(dòng)），隨后轉(zhuǎn)化為所有能量，熱量的熵狀態(tài)，以換取運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于電動(dòng)汽車，這個(gè)過程還有另一個(gè)階段來捕獲未使用的動(dòng)能。這被稱為再生制動(dòng)，但它的真正含義是利用車輛的動(dòng)力來轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而不是相反。這會(huì)將電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生的電力被反饋到電池中。這擴(kuò)展了EV的續(xù)航里程，但延長(zhǎng)了多少在很大程度上取決于再生階段的效率。

電機(jī)/發(fā)電機(jī)已經(jīng)過優(yōu)化，可在電機(jī)和發(fā)電機(jī)模式下實(shí)現(xiàn)高效。另一個(gè)關(guān)鍵階段是逆變器。這是將來自電池的高壓轉(zhuǎn)換為交流電（AC）以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路。交流波形的幅度和頻率將決定旋轉(zhuǎn)速度。通常，牽引電機(jī)是三相的，因此逆變器需要從直流電池電壓產(chǎn)生三個(gè)交流周期。這可以將多達(dá) 800 V DC 轉(zhuǎn)換為大約 180 kW AC，因此此階段的效率對(duì)于汽車制造商提供的整體性能和續(xù)航里程至關(guān)重要。

毫不奇怪，這是大部分設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。使逆變器盡可能高效意味著使用損耗最小的組件。直到最近，IGBT還具有導(dǎo)通損耗優(yōu)勢(shì)，但代價(jià)是關(guān)斷開關(guān)損耗明顯更高。由于典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)開關(guān)頻率相對(duì)較低，這是一個(gè)很好的折衷方案，特別是考慮到IGBT的低成本。碳化硅（SiC）FET在這一應(yīng)用領(lǐng)域中一直在穩(wěn)步取代IGBT，因?yàn)樗鼈兙哂休^低的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。這有兩個(gè)原因。首先，如前所述，由于雙極性電流捕獲電荷，IGBT的關(guān)斷速度較慢。另一方面，SiC FET具有快速的導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)速度，因?yàn)橹挥?a target="_blank">電子流動(dòng)，因此開關(guān)損耗較低。更重要的是，在正向?qū)ɑ蚍聪驅(qū)ㄆ陂g，IGBT在其電流路徑中始終有一個(gè)PN結(jié)，分別來自IGBT本身或其反并聯(lián)二極管。由于SiC材料的電阻較低，并且消除了PN結(jié)壓降，因此SiC FET在所有電流水平下都具有較低的傳導(dǎo)損耗，但在EV最常運(yùn)行的低功耗下具有顯著優(yōu)勢(shì)。SiC FET 不需要反并聯(lián)二極管，因此沒有正向或反向電流的“拐點(diǎn)”電壓（開關(guān)死區(qū)時(shí)間后）。

工作模式與功率因數(shù) （PF） 相關(guān)。如果PF為正，則電路處于逆變器模式，從電池獲取能量以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果PF為負(fù)，則電路作為整流器工作，將能量回饋電池。理想情況下，PF盡可能接近+1或-1，以最大限度地提高效率。

更改PF會(huì)突出顯示所用FET的損耗。這里的關(guān)鍵指標(biāo)是正向和反向傳導(dǎo)損耗，以及導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)損耗。它們加在一起，得到每個(gè)FET的總損耗。在逆變器或整流模式下，大部分傳導(dǎo)損耗分別來自正向或反向電流。請(qǐng)注意，正向電流流向漏極至源極（或IGBT的集電極至發(fā)射極）。用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的IGBT僅在正向方向上導(dǎo)通，因此它需要一個(gè)反并聯(lián)二極管來反向流動(dòng)。這意味著導(dǎo)通損耗以及IGBT和二極管加熱因電流方向而異。另一方面，SiC FET以相同的傳導(dǎo)損耗（死區(qū)時(shí)間后）傳導(dǎo)正向和反向電流，并通過相同的芯片，因此芯片利用率更好，功率密度可以更高。

在逆變器和整流器模式下設(shè)計(jì)高效率時(shí)，要檢查的指標(biāo)之一是反向恢復(fù)電荷以及每個(gè)FET的導(dǎo)通開關(guān)損耗。例如，如果半橋中的底部FET在上半部分有反向電流流動(dòng)后導(dǎo)通，則頂部將經(jīng)歷反向恢復(fù)。這會(huì)導(dǎo)致一些殘余電流流入半橋的底部FET，從而增加其導(dǎo)通開關(guān)損耗。因此，反向恢復(fù)電荷是一個(gè)關(guān)鍵的FET參數(shù)。事實(shí)上，正是由于SiC器件的反向恢復(fù)電荷如此之低，SiC器件代替IGBT通常可提供幾個(gè)百分點(diǎn)的效率提升。這轉(zhuǎn)化為續(xù)航里程或車輛成本方面的實(shí)際收益。

UnitedSiC已經(jīng)進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以比較其SiC FET與這些應(yīng)用中的IGBT。它還可以共享設(shè)計(jì)工具，讓工程師能夠快速仿真其零件在不同工作條件下的性能，例如PF、電池電壓、相數(shù)和電機(jī)輸出功率。

有一件事似乎是肯定的，再生斷裂與最終客戶越來越相關(guān)，效率水平值得在設(shè)計(jì)階段仔細(xì)考慮。

審核編輯：郭婷