實(shí)現(xiàn)牽引逆變器中碳化硅的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程擴(kuò)展

有兩個(gè)主要的中斷影響車輛運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)的未來。我們正在采用一種令人興奮的新方法，以清潔電力驅(qū)動(dòng)我們的車輛，同時(shí)重新設(shè)計(jì)支撐電動(dòng)汽車 (EV) 子系統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，以最大限度地提高能效，進(jìn)而最大限度地提高 EV 的行駛里程。

政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)繼續(xù)要求汽車原始設(shè)備制造商減少其車隊(duì)的整體 CO 2排放，對(duì)違規(guī)行為進(jìn)行嚴(yán)厲處罰，并且電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施開始在我們的道路和停車場旁邊激增。然而，盡管取得了所有這些進(jìn)步，但由于對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程限制的擔(dān)憂揮之不去，主流消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的采用仍然受到阻礙。

更復(fù)雜的是，更大的電動(dòng)汽車電池尺寸可以延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程并消除消費(fèi)者的續(xù)航焦慮，同時(shí)可能會(huì)提高電動(dòng)汽車的價(jià)格——電池占最終車輛成本的 25% 以上。

幸運(yùn)的是，并行發(fā)生的半導(dǎo)體革命產(chǎn)生了新的寬帶隙器件，例如碳化硅 MOSFET 功率開關(guān)，這些器件有助于縮小消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的期望與 OEM 以具有競爭力的成本結(jié)構(gòu)滿足這些需求的能力之間的差距。

圖 1：電動(dòng)汽車中的功率轉(zhuǎn)換元件。牽引逆變器將高壓電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流波形來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，進(jìn)而推動(dòng)汽車。

充分利用 SiC 技術(shù)

圖 2：電池到電機(jī)信號(hào)鏈。為了實(shí)現(xiàn)范圍擴(kuò)展，每個(gè)模塊都應(yīng)設(shè)計(jì)為最高效率水平。

基于 SiC 的功率開關(guān)在功率密度和效率方面的固有優(yōu)勢(shì)是眾所周知的，對(duì)系統(tǒng)冷卻和尺寸具有關(guān)鍵影響。向 SiC 的演變有望實(shí)現(xiàn) 800 V/250 kW 的 3 倍更小逆變器，并在配套直流鏈路薄膜電容器上進(jìn)一步顯著節(jié)省尺寸和成本。與傳統(tǒng)硅相比，碳化硅電源開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋范圍和/或更小的電池組，使開關(guān)在從設(shè)備級(jí)到系統(tǒng)級(jí)的成本比較中具有優(yōu)勢(shì)。

在這些范圍和成本考慮的交叉點(diǎn)上，牽引逆變器仍然是旨在進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車效率和范圍增益的創(chuàng)新中心。作為牽引逆變器中最昂貴和功能最重要的元件，碳化硅功率開關(guān)需要非常精確地控制，以實(shí)現(xiàn)額外開關(guān)成本的全部優(yōu)勢(shì)。

事實(shí)上，SiC 開關(guān)的所有固有優(yōu)勢(shì)都將被共模噪聲擾動(dòng)以及由于在管理不善的電源開關(guān)環(huán)境。從廣義上講，碳化硅開關(guān)雖然有底層技術(shù)，但功能相對(duì)簡單——它只是一個(gè)三端設(shè)備——但它必須小心地與系統(tǒng)接口。

圖 3：開啟（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的電壓和電流波形。在 SiC 環(huán)境中，dV/dt 將超過 10 V/ns，這意味著切換 800 VDC 電壓的時(shí)間不超過 80 ns。以類似的方式，可以觀察到 10-A/ns（即 80 ns 中的 800 A）類型的 di/dt。

輸入柵極驅(qū)動(dòng)器

圖 4：隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器橋接信號(hào)世界（控制單元）和電源世界（碳化硅開關(guān)）。除了隔離和信號(hào)緩沖，驅(qū)動(dòng)器還執(zhí)行遙測、保護(hù)和診斷功能，使其成為信號(hào)鏈的關(guān)鍵元素。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器將負(fù)責(zé)設(shè)置最佳開關(guān)甜蜜點(diǎn)，確保通過隔離屏障的傳播延遲短而準(zhǔn)確，同時(shí)提供系統(tǒng)和安全隔離，控制電源開關(guān)過熱，檢測和防止短路，并促進(jìn)插入ASIL-D 系統(tǒng)中的子塊驅(qū)動(dòng)/開關(guān)功能。

然而，由 SiC 開關(guān)引入的高壓擺率瞬變可能會(huì)破壞隔離屏障上的數(shù)據(jù)傳輸，因此測量和了解對(duì)這些瞬變的敏感性至關(guān)重要。i Coupler ADI 專有技術(shù)顯示出領(lǐng)先的共模瞬變抗擾度，實(shí)測性能高達(dá) 200 V/ns 及以上。這在安全操作下釋放了 SiC 開關(guān)時(shí)間的全部潛力。

圖 5：20 多年來，ADI 憑借i Coupler 數(shù)字隔離 IC引領(lǐng)了數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步。該技術(shù)包括具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數(shù)字隔離器使用代工CMOS工藝。變壓器是差分的，可提供出色的共模瞬態(tài)抗擾度。

高性能柵極驅(qū)動(dòng)器已在 Wolfspeed 等領(lǐng)先 SiC MOSFET 電源開關(guān)供應(yīng)商的實(shí)際測試中證明了其價(jià)值。在包括短路檢測時(shí)間和總故障清除時(shí)間在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)上，性能可分別低至 300 ns 和 800 ns。為了提供額外的安全和保護(hù)，測試結(jié)果證明了可調(diào)節(jié)軟關(guān)斷功能對(duì)于系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

同樣可以最大化開關(guān)能量和電磁兼容性 (EMC)，以提高功率性能和 EV 續(xù)航里程。更高的驅(qū)動(dòng)能力允許用戶擁有更快的邊緣速率，從而減少開關(guān)損耗。這不僅有助于提高效率，而且無需為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配外部緩沖器，從而節(jié)省了電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統(tǒng)可能需要更慢地切換以達(dá)到最佳效率，甚至分階段切換，研究表明這可以進(jìn)一步提高效率。ADI 提供了一個(gè)可調(diào)節(jié)的壓擺率以允許用戶執(zhí)行此操作，并且去除外部緩沖器消除了進(jìn)一步的障礙。

系統(tǒng)中的元素

需要注意的是，柵極驅(qū)動(dòng)器和 SiC 開關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能會(huì)因周圍組件的妥協(xié)和/或低效而完全抵消。ADI 在電源和傳感方面的傳統(tǒng)及其性能優(yōu)化的系統(tǒng)級(jí)方法涵蓋了廣泛的設(shè)計(jì)考慮因素。

電動(dòng)汽車的整體視圖揭示了優(yōu)化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)功率效率的更多機(jī)會(huì)，這對(duì)于利用最大可用電池容量同時(shí)確保安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。BMS 的質(zhì)量直接影響電動(dòng)汽車每次充電的里程數(shù)，最大限度地延長電池的整體壽命，從而降低總擁有成本。

在電源管理方面，克服復(fù)雜電磁干擾 (EMI) 挑戰(zhàn)的能力——同時(shí)不影響 BOM 成本或 PCB 占用空間——變得至關(guān)重要。電源效率、熱性能和封裝仍然是電源層的關(guān)鍵考慮因素，無論該層是用于隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器電源電路還是輔助高壓到低壓 DC 到 DC 電路。在所有情況下，消除 EMI 問題的能力對(duì) EV 設(shè)計(jì)人員來說都更為重要。在切換多個(gè)電源時(shí)，EMC 是一個(gè)關(guān)鍵痛點(diǎn)，卓越的 EMC 可以大大縮短測試周期和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而加快上市時(shí)間。

深入支持組件的生態(tài)系統(tǒng)，磁性傳感的進(jìn)步產(chǎn)生了新一代非接觸式電流傳感器，可提供高帶寬和精度的無功率損耗，以及用于軸端和軸外配置的準(zhǔn)確和穩(wěn)健的位置傳感器. 在典型的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中部署了 15 到 30 個(gè)電流傳感器，其中1 個(gè)帶有監(jiān)控牽引電機(jī)功能的旋轉(zhuǎn)和位置傳感器。對(duì)雜散場的感測精度和穩(wěn)健性是測量和保持 EV 電源子系統(tǒng)效率的關(guān)鍵屬性。

端到端的效率

從整體上看 EV 動(dòng)力系統(tǒng)中的所有元素——從電池到牽引逆變器再到支持組件等等——ADI 看到了以提高整體功率效率和擴(kuò)展 EV 行駛里程的方式改進(jìn)電動(dòng)汽車的無數(shù)機(jī)會(huì)。數(shù)字隔離是該等式的眾多重要部分之一，因?yàn)?SiC 功率開關(guān)技術(shù)已滲透到 EV 牽引逆變器中。

同樣，汽車 OEM 可以利用多學(xué)科方法進(jìn)行 EV 優(yōu)化，以幫助確保所有可用的電源監(jiān)控和控制設(shè)備密切協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)最高性能和效率。反過來，它們可以幫助克服主流消費(fèi)者采用電動(dòng)汽車的最后剩余障礙——車輛行駛里程和成本——同時(shí)幫助確保所有人的綠色未來。

審核編輯：郭婷