碳化硅IGBT在汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵作用是什么?

隨著汽車行業(yè)不斷追求可持續(xù)發(fā)展，電池電動(dòng)汽車(BEV)憑借其高效率和零尾氣排放，逐漸成為行業(yè)的焦點(diǎn)。2023年，全球電池電動(dòng)汽車(BEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)的銷量達(dá)到1360萬(wàn)輛，較2022年增長(zhǎng)了31%。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，這一數(shù)字將繼續(xù)迅速增長(zhǎng)。

盡管增長(zhǎng)迅猛，但電動(dòng)車的普及仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如高昂的成本、較長(zhǎng)的充電時(shí)間以及有限的續(xù)航里程。為應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題，制造商引入了800V的電動(dòng)車系統(tǒng)。更高的電壓架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充電速度，顯著降低充電時(shí)間和成本。

硅的時(shí)代尚未終結(jié)

自電動(dòng)汽車大規(guī)模普及的早期階段以來(lái)，碳化硅(SiC)和其他寬禁帶(WBG)技術(shù)就被認(rèn)為是電池電動(dòng)汽車子系統(tǒng)的理想選擇。與傳統(tǒng)硅材料相比，寬禁帶材料具有更高的禁帶寬度和擊穿電壓，可實(shí)現(xiàn)更高的電流密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率以及更低的總損耗。這些優(yōu)勢(shì)使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠在高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的效率、更小的體積和更輕的重量。因此，眾多研究表明，SiC已成為牽引逆變器領(lǐng)域的主流技術(shù)(部分情況下除外)。

然而，硅制造工藝的成熟性、現(xiàn)有選項(xiàng)的豐富性、更低的成本、更簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)方法以及器件的穩(wěn)定性，仍然使硅功率MOSFET和IGBT成為寬禁帶技術(shù)的可行替代方案。選擇合適的器件需要設(shè)計(jì)師具備高水平的專業(yè)能力，而作為供應(yīng)商，我們也有責(zé)任提供全面的產(chǎn)品選擇，以滿足各種需求和偏好。

在低開(kāi)關(guān)頻率要求的應(yīng)用中，導(dǎo)通損耗和熱設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性是關(guān)鍵因素。寬禁帶器件固有的高功率密度可能會(huì)帶來(lái)熱管理方面的挑戰(zhàn)，而硅IGBT和MOSFET較大的芯片面積在這些場(chǎng)景中可以更容易實(shí)現(xiàn)熱管理。

電動(dòng)汽車的復(fù)雜電路包含多個(gè)子系統(tǒng)，其中一些并不需要半導(dǎo)體技術(shù)具備高開(kāi)關(guān)能力。

應(yīng)用案例

下圖1展示了一種通用的電池分配單元(BDU)應(yīng)用于電動(dòng)汽車中的示例。

在熱管理子系統(tǒng)中，PTC加熱器、預(yù)充電回路以及放電回路并不一定需要更高的開(kāi)關(guān)頻率。相反，它們需要低導(dǎo)通損耗、高浪涌電流能力以及堅(jiān)固耐用的半導(dǎo)體器件，以確保高可靠性。

熱管理

與內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車通過(guò)廢熱加熱乘客艙不同，電動(dòng)汽車由于其高效的能量利用特性，無(wú)法產(chǎn)生足夠的廢熱。因此，電動(dòng)汽車的熱管理面臨以下兩個(gè)重要需求：

· 電池的溫度調(diào)節(jié)

· 在寒冷環(huán)境下為乘客艙加熱

在寒冷的環(huán)境中，PTC加熱器和熱泵被用來(lái)為電池調(diào)節(jié)溫度以達(dá)到最佳性能，并同時(shí)為乘客艙供暖。圖2展示了PTC加熱器的典型電路配置。

在這種應(yīng)用中，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率通常在幾十赫茲到幾百赫茲之間。器件的低通態(tài)電壓降、短路能力以及良好的熱性能是關(guān)鍵因素。

放電回路

800V BEV系統(tǒng)中的直流母線電容放電需求

高壓電池電動(dòng)車的重要安全協(xié)議要求在以下兩種操作場(chǎng)景下對(duì)直流母線電容進(jìn)行放電：

· 正常操作中的關(guān)機(jī)

· 緊急情況(如碰撞后或檢測(cè)到嚴(yán)重故障)

這些放電機(jī)制是基本的安全功能，旨在降低車輛乘客和維護(hù)人員遭受電擊的風(fēng)險(xiǎn)，并防止?jié)撛诘幕馂?zāi)隱患?；谥圃焐痰娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這類應(yīng)用通常被歸類為汽車安全完整性等級(jí)B(ASIL-B)。

在800V BEV架構(gòu)中，標(biāo)稱電池電壓屬于電壓等級(jí)B(60V至1500V)。根據(jù)ISO 6469-4安全法規(guī)規(guī)定，系統(tǒng)必須在緊急情況下快速降低電壓。具體來(lái)說(shuō)，在碰撞后車輛停止的5秒內(nèi)，母線電壓必須降低并保持在60V DC以下。圖3展示了典型的放電回路。

在必要情況下，直流母線電容可通過(guò)IGBT放電。通過(guò)開(kāi)啟IGBT，電容中的所有能量都可以通過(guò)與IGBT串聯(lián)的Rdis電阻進(jìn)行放電。此類應(yīng)用需要具備高浪涌電流能力的堅(jiān)固IGBT。

預(yù)充電回路

預(yù)充電回路常用于電動(dòng)汽車(如電池管理系統(tǒng)和車載充電器)，也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域(如電源和配電單元)。在電動(dòng)汽車中，控制器不僅負(fù)責(zé)處理高電容的電氣元件，還通過(guò)控制電機(jī)的功率流動(dòng)，確保電機(jī)的平穩(wěn)高效運(yùn)行。通過(guò)預(yù)充電回路中的高壓正極和負(fù)極接觸器，可以安全地連接或斷開(kāi)電源與電容，從而防止啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的浪涌電流。這種預(yù)充電機(jī)制可控制充電過(guò)程并確保系統(tǒng)安全，同時(shí)在必要時(shí)實(shí)現(xiàn)元件隔離。如果沒(méi)有預(yù)充電回路，接觸器閉合時(shí)可能發(fā)生焊接現(xiàn)象，導(dǎo)致瞬間電弧和潛在的損壞。

圖4展示了一種預(yù)充電回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在該電路中，包含兩個(gè)高電流、高電壓接觸器S1和S2，一個(gè)獨(dú)立的預(yù)充電開(kāi)關(guān)T1，以及一個(gè)與負(fù)載(如牽引逆變器)并聯(lián)的直流母線電容C1。最初，兩個(gè)高電流接觸器S1和S2均處于打開(kāi)狀態(tài)，隔離了高壓電池與負(fù)載之間的連接。預(yù)充電通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)T1(1300V A5A IGBT)和高壓負(fù)極接觸器S1開(kāi)始，使直流母線電容充電至與電池電壓相等的水平。在預(yù)充電過(guò)程完成后，開(kāi)關(guān)T1斷開(kāi)，高壓正極接觸器S2閉合。由于在閉合高壓正極和負(fù)極接觸器前，直流母線電容已經(jīng)被充電，因此不會(huì)產(chǎn)生顯著的浪涌電流。1300V A5A IGBT具備高浪涌電流能力，因此非常適合這種應(yīng)用。

圖5展示了Littelfuse公司采用1300V A5A IGBT的BDU演示板。

總結(jié)

隨著汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的更高電壓架構(gòu)，硅 IGBT 對(duì)于需要較低開(kāi)關(guān)頻率和最小傳導(dǎo)損耗的應(yīng)用仍然至關(guān)重要。

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