相較IGBT，SiC如何優(yōu)化混動和電動汽車的能效和性能？

本文作者：安森美高級產(chǎn)品線經(jīng)理Jonathan Liao

隨著人們對電動汽車 (EV) 和混動汽車 (HEV) 的興趣和市場支持不斷增加，汽車制造商為向不斷擴(kuò)大的客戶群提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，競爭日益激烈。由于 EV 的電機(jī)需要高千瓦時電源來驅(qū)動，傳統(tǒng)的 12 V 電池已讓位于 400-450 V DC 數(shù)量級的電池組，成為 EV 和 HEV 的主流電池電壓。

市場已經(jīng)在推動向更高電壓電池的轉(zhuǎn)變。800 V DC 和更大的電池將變得更占優(yōu)勢，因?yàn)槭褂酶叩碾妷阂馕吨到y(tǒng)可以在更低的電流下運(yùn)行，同時實(shí)現(xiàn)相同的功率輸出。較低電流的優(yōu)點(diǎn)是損耗較低，需要管理的熱耗散較少，還有利于使用更小的電纜為整個車輛供電。

不斷發(fā)展的電動汽車技術(shù)對于在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的交通運(yùn)輸至關(guān)重要。到 2024 年底，道路上將有超過 700 萬輛汽車搭載安森美 (onsemi)VE-Trac功率模塊，僅這些車輛就可以每年減少 2900 萬噸的二氧化碳排放量(見圖 1)。

圖 1.減少車輛搭載安森美 VE-Trac 功率模塊后可減少的二氧化碳排放量 + 主驅(qū)逆變器

電池的主要負(fù)載是車輛的電機(jī)，使用交流電機(jī)的 EV 和 HEV 依賴于主驅(qū)逆變器將直流電池電源轉(zhuǎn)換為交流電(見圖 2)。主驅(qū)逆變器是電動汽車的心臟，提供驅(qū)動汽車前進(jìn)所需的扭矩和加速度。主驅(qū)逆變器的兩個主要設(shè)計考慮因素包括轉(zhuǎn)換效率和峰值功率。

圖 2. 主驅(qū)逆變器將直流電池電源轉(zhuǎn)換為交流電源，提供扭矩和加速度

從 DC 到 AC 的電源轉(zhuǎn)換效率越高，車輛就可以使用更小的電池做更多的事情。更高的效率還意味著系統(tǒng)可以提供更多的功率，并減少需要管理的散熱。

峰值功率決定了車輛的整體性能，特別是車輛的瞬時扭矩和加速能力。效率(續(xù)航里程)和峰值功率(性能)共同決定了車輛的應(yīng)用和使用場景。

如今，許多 EV 和 HEV 都是基于 IGBT 技術(shù)構(gòu)建的。隨著碳化硅 (SiC) 技術(shù)的問世，更高的效率和性能成為可能。

碳化硅的優(yōu)勢

IGBT 技術(shù)通常為中低檔車輛提供更具成本效益的解決方案，SiC 提供出色的效率和峰值功率，尤其是在較高電壓下，適用于非常重視續(xù)航里程和性能的車輛，系統(tǒng)成本也更加靈活。每個芯片阻抗更低，可實(shí)現(xiàn)出色的效率和熱優(yōu)化。在這些功能的共同作用下，每英里的電池消耗得以降低。雖然 SiC 的成本高于 IGBT，但在許多應(yīng)用中，這被 SiC 提高的能效所帶來的整車其他方面的成本節(jié)省所抵消。

圖 3 到圖 6比較了 IGBT 效率與 SiC 效率。在圖 3 和圖 4中，NVH820S75L4SPB是 IGBT 模塊(方形連線圖)，而NVXR17S90M2SPB是 SiC 模塊(圓形連線圖)。這兩張圖顯示了 IGBT 因開關(guān)頻率和 RMS 負(fù)載電流具有更高的功率損耗。圖 5 和圖 6 顯示，以更高頻率運(yùn)行的 SiC 可實(shí)現(xiàn)出色的效率增益。

圖 3. 8 kHz 開關(guān)頻率時的功率損耗

圖 4. 15 kHz 開關(guān)頻率時的功率損耗

圖 5. 8 kHz 時的效率增益

圖 6. 15 kHz 時的效率增益 轉(zhuǎn)換效率：

就本質(zhì)而言，當(dāng)前的IGBT 技術(shù)會隨著電壓的增加而變得更厚且效率更低，從而導(dǎo)致需要更高的阻斷電壓?？梢曰?IGBT 構(gòu)建更高電壓的逆變器，但隨著電動汽車的電壓達(dá)到 800 V 及以上，SiC 的效率將大大高于 IGBT。在更高電壓下，SiC 不必像 IGBT 一樣厚也能實(shí)現(xiàn)阻斷電壓。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下，IGBT 的效率約為 94%。然而，在較低負(fù)載下，其效率下降至 92%，例如當(dāng)車輛以巡航速度運(yùn)行時。相比之下，SiC 在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下可達(dá)到 98%，增益為 4%。SiC 在較低負(fù)載下具有 95% 的效率，增益為 3%。

增加行駛里程：

一個 100 千瓦時的電池和基于 IGBT 的逆變器解決方案，可以產(chǎn)生 300 英里的最大行駛里程。使用 SiC ，效率提高 3% 以上，將使車輛的續(xù)航里程增加 9 英里或更多。對于具有更大電池的車輛，例如長途運(yùn)輸卡車，續(xù)航里程會更遠(yuǎn)。

更小直徑的布線：

電機(jī)可以用較低的電流驅(qū)動，因?yàn)榛?SiC 的主驅(qū)逆變器在較高電壓下運(yùn)行效率更高。這樣，就可以使用直徑較小的電纜。貫穿車輛的布線的直徑變小，減少了整體重量，這樣只需更少的電力就能驅(qū)動車輛并增加總的行駛里程。此外，更小直徑的布線成本更低，抵消了使用高壓 SiC 主驅(qū)逆變器的成本。

系統(tǒng)尺寸：

SiC 技術(shù)的效率更高，使高壓主驅(qū)逆變器在尺寸上更加緊湊，而不會影響效率或峰值功率。較小的逆變器使設(shè)計人員在逆變器的放置方面具有更大的靈活性，并最大限度地增加了車內(nèi)的乘客空間和可用空間。

熱管理：

管理車輛內(nèi)的熱量對于維持整體系統(tǒng)效率至關(guān)重要。基于 SiC 的主驅(qū)逆變器具有更高的熱效率，可產(chǎn)生更低的損耗和更少的散熱。這意味著逆變器在較低的溫度下運(yùn)行，帶來雙重好處：牽引系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率，同時降低散熱系統(tǒng)整體成本。

VE-Trac 高度集成功率模塊

IGBT 和 SiC 都是主驅(qū)逆變器系統(tǒng)的可行方案。然而，許多因素會影響整個牽引系統(tǒng)中主驅(qū)逆變器的效率和性能，沒有一個簡單的方程式可以確定適合給定應(yīng)用的最佳方法。

通過與安森美合作，工程師可以探索各種選擇。安森美擁有完整的主驅(qū)逆變器解決方案組合，包括 IGBT 和 SiC 技術(shù)，因此 OEM 和一級供應(yīng)商可以為其應(yīng)用找到合適的逆變器半導(dǎo)體解決方案。安森美為 EV 和 HEV 應(yīng)用提供廣泛的牽引逆變器解決方案，VE-Trac 系列就是用于汽車功能電子化的高度集成功率模塊。這些模塊采用創(chuàng)新的封裝、先進(jìn)的散熱技術(shù)并具備出色的可靠性。

安森美旗下的整個 IGBT 和 SiC 主驅(qū)逆變器產(chǎn)品線均采用標(biāo)準(zhǔn)的外殼模塊封裝和外形。通過標(biāo)準(zhǔn)封裝，OEM 可以使用同等的模塊外形，將現(xiàn)有的基于 IGBT 的系統(tǒng)遷移到 SiC。這使 OEM 只需對逆變器系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行少量修改，即可在現(xiàn)有應(yīng)用中獲得 SiC 的全部優(yōu)勢。

然而，隨著行業(yè)朝著提高可靠性的方向發(fā)展，安森美也提供壓鑄模封裝 (TMP) 以實(shí)現(xiàn)更出色的可靠性。隨著 OEM 向市場推出新設(shè)計，TMP 可將器件封裝在非常堅固的塑封壓鑄模封裝中，提高電動汽車在惡劣運(yùn)行環(huán)境中電氣連接的可靠性。安森美提供半橋解決方案。

在封裝選項(xiàng)中，安森美提供先進(jìn)的直接散熱技術(shù)以最大限度地提高導(dǎo)熱性，從而提高系統(tǒng)性能和可靠性。模塊在冷卻劑和 IGBT / SiC 芯片之間具有直接散熱路徑，無需額外的熱元件，例如熱界面材料 (TIM) 或散熱片。對于需要更多散熱的應(yīng)用，雙面散熱允許冷卻劑在模塊的頂面和底面流動，以更快地散熱。

可靠性是 EV 和 HEV 的一個重要因素。通過使用先進(jìn)散熱技術(shù)改進(jìn)散熱并采用剛性封裝來保護(hù)電氣連接，OEM 可以設(shè)計出能夠在更長距離內(nèi)運(yùn)行而不會出現(xiàn)主驅(qū)系統(tǒng)故障的電動汽車。為了進(jìn)一步提高可靠性，安森美采用壓合式引腳技術(shù)來連接功率模塊和柵極驅(qū)動板之間的信號引腳。壓合式引腳是在其他汽車應(yīng)用中經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，例如 TPMS 和電機(jī)控制。壓合式引腳可確保穩(wěn)固連接，而且牢固、可靠、無焊料、可重復(fù)，且針對自動化和大批量制造進(jìn)行了優(yōu)化。

各種 VE-Trac 模塊還集成了智能 IGBT 芯片，使模塊能夠自我監(jiān)控自身的運(yùn)行狀況，以應(yīng)對過熱和過流等保護(hù)事件。在片上執(zhí)行自我監(jiān)控而不是通過外部 NTC 熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)控，可以使模塊響應(yīng)更快，并最大限度地減少此類事件發(fā)生時的影響。

圖 7. VE-Trac 系列是高度集成的功率模塊，整合一系列電壓、功率和制造技術(shù)，為各種混動和電動汽車應(yīng)用提供合適的解決方案。

圖 7顯示了 VE-Trac 系列中 OEM 可用的許多選項(xiàng)。采用直接水冷技術(shù)的 VE-Trac Direct 模塊可輕松與壓合式標(biāo)準(zhǔn)外殼模塊封裝相集成，以提高靈活性和可靠性(見圖 8)。借助 IGBT 和 SiC 選項(xiàng)，VE-Trac Direct 模塊可提供 100 kW 以上的功率級可擴(kuò)展性。

圖 8. VE-Trac Direct 模塊可擴(kuò)展到 100 kW 以上且易于集成

VE-Trac Dual 模塊采用緊湊型 TMP 外形尺寸，體積縮小 30%，同時為需要擴(kuò)展至 300 kW 的空間受限應(yīng)用提供相當(dāng)?shù)妮敵龉β?見圖 9)。VE-Trac 的使用壽命比標(biāo)準(zhǔn)模塊長 3 倍以上，還提供出色的電氣和熱性能、極低的封裝電感 (<7 nH) 和出色的 $/kW 值。集成了智能的 IGBT 片上溫度和電流傳感器，可實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的容差(± 7°，而基于 NTC 的傳感為 ± 14°)和更快的故障檢測(200 ns，而 DESAT 為 2 μs+)。

圖 9. VE-Trac Dual 模塊采用緊湊型 TMP 外形，提供出色的電氣和熱性能及 $/kW 值。

VE-Trac B2-Direct SiC 模塊采用新技術(shù)，提供 SiC 的效率和高峰值功率，含下一代封裝、直接散熱和熱性能技術(shù)，可延長整體壽命性能(見圖 10)。其他主要特性包括：通過銀燒結(jié)將芯片連接到 DBC 上、源夾具互連、與 AHPM DSC 的封裝兼容性，以及從中功率到高功率的可擴(kuò)展功率輸出。

圖 10. VE-Trac B2-Direct SiC 模塊通過下一代封裝、直接散熱、和熱性能技術(shù)提供出色的效率和高峰值功率。

可擴(kuò)展集成

憑借多功能和可擴(kuò)展的封裝選項(xiàng)，安森美可為每個應(yīng)用提供合適的模塊。VE-Trac Direct 功率模塊提供 100 至 180 kW 的可擴(kuò)展解決方案，具有適用于三相電機(jī)應(yīng)用的相同機(jī)械封裝。VE-Trac Dual 解決方案提供了極高的靈活性，功率模塊可以垂直橫向排列，可根據(jù)應(yīng)用調(diào)整逆變器系統(tǒng)，使之更長更薄或更短更厚。此外，逆變器系統(tǒng)可以在同一相上并聯(lián)放置兩個多功率模塊，以增加峰值功率，從而在類似的緊湊外形中提供高達(dá) 2 倍的功率。

作為功率半導(dǎo)體市場的領(lǐng)導(dǎo)者，安森美了解設(shè)計高效、可靠和可持續(xù)的電源解決方案的重要性。VE-Trac 系列等廣泛而靈活的集成模塊產(chǎn)品組合使 OEM 能夠?yàn)閼?yīng)用選擇合適的解決方案，從低電壓、具有成本效益的 IGBT 模塊，到提供高效率和高峰值功率的高壓 SiC 模塊等。安森美也是一家 SiC 供應(yīng)商，提供全面的垂直整合量產(chǎn)服務(wù)。

憑借在汽車行業(yè)的悠久歷史(40 多年)，安森美還提供完整的設(shè)計支持，包括全面的應(yīng)用筆記和仿真模型，用戶還可獲得安森美功能安全專家和全球開發(fā)支持團(tuán)隊(duì)的幫助。除了對 SiC 制造等技術(shù)進(jìn)行大量投資外，安森美還以可靠的封裝、完整的垂直電源整合和先進(jìn)的散熱方案等創(chuàng)新，不斷推動整個行業(yè)的進(jìn)步。安森美了解汽車行業(yè)的發(fā)展方向，并致力于提供 OEM 所需的技術(shù)，為混動和電動汽車提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電力驅(qū)動。 點(diǎn)個星標(biāo)，茫茫人海也能一眼看到我

審核編輯：湯梓紅