如何將 SiC 技術(shù)用于功率逆變器

將 SiC 技術(shù)用于功率逆變器是增加扭矩和加速度以及提升汽車整體性能的好方法。

安森美半導(dǎo)體在電動(dòng)方程式世界錦標(biāo)賽中與梅賽德斯-EQ 方程式 E 合作開(kāi)發(fā)下一代電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。安森美半導(dǎo)體與梅賽德斯 AMG 的高功率性能 （HPP） 部門之間的技術(shù)合作為賽車提供了技術(shù)改進(jìn)。

在接受 EE Times 采訪時(shí)，安森美半導(dǎo)體全球系統(tǒng)工程副總裁 Dave Priscak 強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)和測(cè)試如何在 Formula E 中齊頭并進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)逆變器功率級(jí)的持續(xù)改進(jìn)。

“當(dāng)我們開(kāi)始參加 Formula E 時(shí)，我們作為贊助商加入，只與梅賽德斯車隊(duì) PETRONAS 合作——我們正在尋找一些方法來(lái)展示我們?yōu)殡妱?dòng)汽車 （EV） 市場(chǎng)所做的和正在做的事情。但很快，通過(guò)與他們的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，我們意識(shí)到從工程的角度來(lái)看，我們可以互相學(xué)習(xí)很多東西。因此，它更像是一種伙伴關(guān)系，而不是贊助。我們的設(shè)計(jì)工程師正在與電動(dòng)方程式的動(dòng)力系統(tǒng)工程師合作，為電動(dòng)方程式開(kāi)發(fā)下一代牽引逆變器和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)。我們學(xué)到的大部分知識(shí)都可以應(yīng)用于商業(yè)解決方案，但扭矩比與您發(fā)現(xiàn)的有很大不同在一輛普通的汽車?yán)?，”普里斯克說(shuō)。

電動(dòng)方程式賽車的核心是動(dòng)力裝置，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)把從電池中取出的直流電轉(zhuǎn)換成高密度的交流電送至發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，在減速期間，再生電機(jī)制動(dòng)被激活，電流沿反向路徑流動(dòng)。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。

碳化硅技術(shù)

作為寬帶隙半導(dǎo)體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量（3.2eV，約為硅的三倍，等于1.1eV）。因?yàn)樾枰嗟哪芰縼?lái)激發(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。SiC 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 300-400 倍。

在逆變器中使用 SiC 技術(shù)的好處包括更小的電路和更輕的重量、改善重量分布和降低整體功耗。這是因?yàn)?SiC MOSFET 可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，從而減小了逆變器中所需的許多電路元件的尺寸。SiC 器件還可以在比標(biāo)準(zhǔn)硅功率半導(dǎo)體更高的電壓和電流下工作，即使在高溫下也能提高功率密度并降低開(kāi)關(guān)損耗。

賽車逆變器

Formula E 提供了有關(guān)如何最大限度地提高效率和延長(zhǎng)電池壽命的見(jiàn)解。Priscak 指出，如何在動(dòng)力系統(tǒng)中盡可能高效地傳遞能量是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

賽車需要能夠承受劇烈沖擊、強(qiáng)烈振動(dòng)和極端溫度的技術(shù)。此外，半導(dǎo)體器件的效率越高，耗散的功率和浪費(fèi)的熱量就越少，從而提高了每瓦功率比。與此同時(shí)，工程師們還致力于減少汽車的部件，以節(jié)省重量和空間。

正如 Priscak 指出的那樣，在 Formula E 領(lǐng)域，它幾乎完全是碳化硅。從電池到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率級(jí)非常簡(jiǎn)單。然而，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，但功率轉(zhuǎn)換與當(dāng)前的電動(dòng)汽車并沒(méi)有太大區(qū)別?！皢?wèn)題在于，在 E 級(jí)方程式中，你必須在賽道上進(jìn)行大約 45 分鐘的加速和制動(dòng)。所以最大的挑戰(zhàn)是盡可能多地回收能量。這非常困難。因?yàn)槟阌写蠖痰谋l(fā)力，而電池?zé)o法吸收所有這些，”Priscak 說(shuō)。

目前，動(dòng)力總成面臨的一些最大挑戰(zhàn)是能夠在制動(dòng)期間捕獲所有能量并實(shí)際為電池充電。比賽規(guī)則每場(chǎng)比賽只允許使用一個(gè)電池，因此我們的目標(biāo)是研究這項(xiàng)技術(shù)，不僅要盡可能多地回收電池，還要盡可能高效地使用它。

電能存儲(chǔ)技術(shù)（通常被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的最大推動(dòng)力和限制因素）性能是為電動(dòng)汽車電機(jī)提供電力的關(guān)鍵。有多種存儲(chǔ)電能的技術(shù)，例如超級(jí)電容器、化學(xué)電池、固態(tài)電池等。鋰離子 （Li） 化學(xué)電池目前在性能和商業(yè)可行性之間提供了最實(shí)用的平衡。

創(chuàng)造下一代柵極驅(qū)動(dòng)器是安森美半導(dǎo)體關(guān)注的另一個(gè)領(lǐng)域，以最大化碳化硅 MOSFET 的導(dǎo)電面積?！安煌幵谟?，正如我之前所說(shuō)，比賽只需要持續(xù) 45 分鐘，而賽車必須持續(xù) 10 年。因此，通過(guò)突破碳化硅的性能極限，我們正在學(xué)習(xí)如何最大限度地延長(zhǎng)使用壽命。在 Formula E 中，我們專注于從數(shù)字處理器到電機(jī)的整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。因此，不僅僅是碳化硅，還有柵極設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)、隔離柵，以及所有決定動(dòng)力總成效率的元素，”Priscak 說(shuō)。

監(jiān)測(cè)在 Formula E 中至關(guān)重要。測(cè)量通過(guò)汽車循環(huán)的每一安培電流非常重要。每次加速、剎車或轉(zhuǎn)彎時(shí)，您不僅需要了解損失了多少能量，還需要了解可以恢復(fù)多少能量。Priscak 指出，如果駕駛員過(guò)于激進(jìn)，電池將永遠(yuǎn)無(wú)法用完。因此，需要監(jiān)控駕駛曲線，特別是加速和制動(dòng)，分析傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)方面。

“在所有這一切中，溫度是一件大事，無(wú)論是從電池的角度來(lái)看，以確保終端在加速過(guò)程中不會(huì)變得太熱，還是在所有功率級(jí)監(jiān)控溫度。有很多傳感器不僅可以用于電流和電壓，還可以用于溫度，”Priscak 說(shuō)。

碳化硅是一種非常快速的高壓開(kāi)關(guān)，Priscak 指出的最大挑戰(zhàn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)?！半姍C(jī)是一個(gè)大電感，討厭快速開(kāi)關(guān)。如果你有一個(gè)快速開(kāi)關(guān)進(jìn)入電機(jī)，電機(jī)需要一個(gè)正弦波。碳化硅的開(kāi)關(guān)速度比感應(yīng)負(fù)載所能承受的快得多。因此，我們驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式需要不斷創(chuàng)新，”Priscak 說(shuō)。

Formula E 正在突破電力電子技術(shù)的極限，并帶來(lái)一系列新的 SiC 解決方案。電動(dòng)汽車將受益于新的 SiC 電源解決方案，因?yàn)樗哂懈?jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更好的性能。它們還將延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的電池壽命，并且通過(guò)改進(jìn)的車載充電器 （OBC） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電池充電速度將大大加快。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(lái)自 SiC 芯片制造商，而且來(lái)自 GaN 芯片制造商。