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

目前有兩個主要中斷影響車輛的未來 運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)。我們正在擁抱一個新的和令人興奮的 用電力清潔地推動我們的車輛，同時 重新設(shè)計(jì)支撐電動汽車 （EV） 的半導(dǎo)體材料 子系統(tǒng)可最大限度地提高功率效率，進(jìn)而提高電動汽車行駛里程。

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 整體一氧化碳2其車隊(duì)的排放，并受到嚴(yán)厲處罰 不合規(guī)，電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施開始激增 沿著我們的道路和停車區(qū)。然而，對于所有這些進(jìn)步， 主流消費(fèi)者對電動汽車的采用仍然受到揮之不去的阻礙 擔(dān)心電動汽車?yán)m(xù)航里程限制。

更復(fù)雜的是，更大的電動汽車電池尺寸可以延長電動汽車的續(xù)航里程 并中和消費(fèi)者的里程焦慮，同時增加電動汽車 價格——電池占最終車輛成本的25%以上。

幸運(yùn)的是，同時發(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 （SiC） MOSFET 功率開關(guān) 有助于縮小消費(fèi)者對電動汽車?yán)m(xù)航里程的期望與原始設(shè)備制造商之間的差距 能夠以具有競爭力的成本結(jié)構(gòu)滿足它們。

根據(jù)SiC領(lǐng)導(dǎo)者之一的電源平臺經(jīng)理Anuj Narain的說法。 功率器件，Wolfspeed，“SiC MOSFET，就其自身的優(yōu)點(diǎn)而言，被廣泛期待 為標(biāo)準(zhǔn) EV 駕駛循環(huán)增加 5% 到 10% 的續(xù)航里程，作為 與現(xiàn)有的硅基技術(shù)相比。正因?yàn)槿绱?，他們是一個 電動汽車傳動系統(tǒng)中下一代牽引逆變器的重要組成部分。如果 與支持組件一起正確利用，其功率效率增益可以 代表了在建立消費(fèi)者對電動汽車系列的信心方面向前邁出的一大步，并且 幫助加速電動汽車的采用。

圖1.電動汽車中的功率轉(zhuǎn)換元件。牽引逆變器將高壓電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流波形以驅(qū)動電機(jī)，進(jìn)而推動汽車。

充分利用碳化硅技術(shù)

基于 SiC 的功率開關(guān)在功率密度方面的固有優(yōu)勢 和效率是眾所周知的，對系統(tǒng)冷卻具有關(guān)鍵意義 和大小。向 SiC 的演進(jìn)有望在 800 V/250 kW 下提供 3× 個更小的逆變器， 在配套直流鏈路薄膜上具有額外的顯著尺寸和成本節(jié)省 電容器。與傳統(tǒng)硅相比，SiC電源開關(guān)可以實(shí)現(xiàn) 更好的續(xù)航里程和/或更少的電池組，為開關(guān)提供有利的成本 從設(shè)備級別到系統(tǒng)級別的比較。

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

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)一步釋放電動汽車效率的創(chuàng)新中心 和范圍增益。作為最昂貴和功能上最重要的元素 牽引逆變器中，需要非常精確地控制SiC功率開關(guān) 以實(shí)現(xiàn)額外交換機(jī)成本的全部優(yōu)勢。

圖3.開啟（左）和關(guān)閉（右）時的電壓和電流波形。在碳化硅環(huán)境中，dv/dt 將超過 10 V/ns，這意味著切換 800 V DC 電壓不超過 80 ns。以類似的方式，可以觀察到 10 A/ns，即 80 ns 中的 800 A，di/dt 類型。

事實(shí)上，SiC開關(guān)的所有內(nèi)在優(yōu)勢都將被 共模噪聲擾動，以及極高的破壞性 由于超快電壓和電流瞬變（DV/DT 和 DI/DT）在管理不善的電源開關(guān)環(huán)境中生成。寬 說起來，SiC開關(guān)的功能相對簡單，盡管底層 技術(shù) - 它只是一個 3 終端設(shè)備 - 但它必須仔細(xì)連接到 系統(tǒng)。

進(jìn)入柵極驅(qū)動器

隔離式柵極驅(qū)動器將負(fù)責(zé)設(shè)置最佳開關(guān)最佳點(diǎn)， 確保通過隔離柵的短而準(zhǔn)確的傳播延遲， 同時提供系統(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/開關(guān)功能。

圖4.隔離式柵極驅(qū)動器橋接信號世界（控制單元）和電源世界（SiC 開關(guān)）。除隔離和信號緩沖外，驅(qū)動器還執(zhí)行遙測、保護(hù)和診斷功能，使其成為信號鏈的關(guān)鍵元件。

SiC開關(guān)引入的高壓擺率瞬變可能會損壞數(shù)據(jù) 然而，跨越隔離柵的傳輸，因此測量和了解對這些瞬變的敏感性至關(guān)重要。我ADI專有的耦合器 該技術(shù)已顯示出領(lǐng)先的共模瞬變抗擾度 （CMTI） 測量性能高達(dá) 200 V/ns 及更高。這釋放了全部潛力 安全操作下的碳化硅開關(guān)時間。?

圖5.20多年來，ADI憑借i耦合器數(shù)字隔離IC引領(lǐng)數(shù)字隔離技術(shù)的進(jìn)步。該技術(shù)由具有厚聚酰亞胺絕緣的變壓器組成。數(shù)字隔離器采用晶圓代工CMOS工藝。變壓器是差分的，具有出色的共模瞬態(tài)抗擾度。

短路是基于SiC的電源開關(guān)面臨的另一個主要挑戰(zhàn)，因?yàn)?更小的芯片尺寸和嚴(yán)格的熱包絡(luò)。柵極驅(qū)動器提供 短路保護(hù)對電動汽車動力總成的可靠性、安全性和壽命至關(guān)重要 周期優(yōu)化。

高性能柵極驅(qū)動器已在實(shí)際測試中證明了其價值 與領(lǐng)先的碳化硅MOSFET功率開關(guān)供應(yīng)商合作，如Wolfspeed?？珂I 參數(shù)，包括短路檢測時間和總故障清除 時間、性能可分別低至 300 ns 和 800 ns。為 額外的安全和保護(hù)，測試結(jié)果證明可調(diào) 軟關(guān)斷功能對于系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

開關(guān)能量和電磁兼容性 （EMC） 同樣可以是 最大化以提高功率性能和 EV 續(xù)航里程。更高的驅(qū)動能力 允許用戶具有更快的邊沿速率，從而降低開關(guān)損耗。 這不僅有助于提高效率，還可以節(jié)省電路板空間和成本 通過消除為每個柵極驅(qū)動器分配的外部緩沖器的需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本。 相反，在某些情況下，系統(tǒng)可能需要更慢地切換 達(dá)到最佳效率，甚至分階段，研究表明可以 進(jìn)一步提高效率。ADI提供可調(diào)壓擺率，允許用戶 為此，移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，柵極的綜合價值和性能 驅(qū)動器和 SiC 開關(guān)解決方案可以通過妥協(xié)和/ 或周圍組件效率低下。ADI在電力和領(lǐng)域的傳統(tǒng) 傳感和我們的系統(tǒng)級性能優(yōu)化方法包括 廣泛的設(shè)計(jì)考慮因素。

電動汽車的整體視圖揭示了優(yōu)化駕駛的其他機(jī)會 列車功率效率，這對于利用最大可用值至關(guān)重要 電池容量，同時確保安全可靠的運(yùn)行。質(zhì)量 BMS直接影響電動汽車每次充電的里程數(shù)，最大限度地延長電池的整體使用壽命，從而降低總擁有成本（TCO）。

在電源管理方面，能夠在不影響 BOM 成本或 PCB 的情況下克服復(fù)雜的電磁干擾 （EMI） 挑戰(zhàn) 足跡 — 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)動器電源電路還是輔助高電平 電壓到低壓直流-直流電路。在所有情況下，中和EMI的能力 對于電動汽車設(shè)計(jì)師來說，問題更為重要。EMC 是一個關(guān)鍵的難點(diǎn) 在切換多個電源時，卓越的EMC可以發(fā)揮 在縮短測試周期和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面還有很長的路要走， 從而加快上市時間。

更深入地了解支持組件的生態(tài)系統(tǒng)，在 磁性傳感催生了新一代非接觸式電流傳感器 無功率損耗，帶寬高，精度高，精度高 以及用于軸端和軸外配置的堅(jiān)固位置傳感器。那里 是 15 到 30 個電流傳感器，旨在部署在典型 插電式混合動力電動汽車，1帶旋轉(zhuǎn)和位置傳感器監(jiān)控牽引電機(jī) 功能。對雜散場的檢測精度和魯棒性是衡量和保持電動汽車電源子系統(tǒng)效率的關(guān)鍵屬性。

端到端效率

全面審視電動汽車動力傳動系中的所有元素——從電池到 牽引逆變器到支持組件及其他組件——ADI公司看到無數(shù) 有機(jī)會以提高整體能效的方式改善電動汽車 并延長電動汽車?yán)m(xù)航里程。數(shù)字隔離是眾多重要因素之一 SiC功率開關(guān)技術(shù)滲透到EV中的部分 牽引逆變器。

同樣，汽車原始設(shè)備制造商可以利用多學(xué)科方法進(jìn)行電動汽車優(yōu)化，以幫助確保所有可用的電源監(jiān)測和控制設(shè)備 正在密切配合，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和效率。挨次 他們可以幫助克服主流消費(fèi)者最后剩下的障礙 電動汽車的采用——車輛行駛里程和成本——同時有助于確保更環(huán)保 所有人的未來。

審核編輯：郭婷