英飛凌推出適用于電動汽車牽引逆變器的汽車級碳化硅功率模塊

在今年的虛擬 PCIM 貿(mào)易展上，英飛凌科技發(fā)布了一款基于成熟的、市場領(lǐng)先的 CoolSiC MOSFET 技術(shù)的新型汽車電源模塊。HybridPACK Drive CoolSiC 具有 1200 V 阻斷電壓的六組全橋模塊，針對電動汽車 (EV) 中的牽引逆變器進行了優(yōu)化。該功率模塊建立在英飛凌的 CoolSiC 溝槽 MOSFET 技術(shù)之上，能夠在高性能應(yīng)用中實現(xiàn)高功率密度，并保持高可靠性。這種創(chuàng)新的功率器件適用于汽車應(yīng)用，特別適用于 EV 逆變器，尤其是具有 800-V 電池系統(tǒng)和更大電池容量的車輛。它提供更高的效率、更長的續(xù)航里程和更低的電池成本，還為傳統(tǒng)的基于硅的解決方案提供了輕松的功率升級。

電動車牽引逆變器

功率半導(dǎo)體是實現(xiàn)節(jié)能世界的關(guān)鍵。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等新技術(shù)可實現(xiàn)更高的功率效率、更小的外形尺寸和更輕的重量。特別是碳化硅是一種寬帶隙材料，能夠克服傳統(tǒng)硅基功率器件所提供的限制。它能夠承受更高的工作電壓、電流和開關(guān)頻率，加上高效率和出色的熱管理，使該半導(dǎo)體成為包括汽車在內(nèi)的多種電源應(yīng)用中硅的理想替代品。用于 EV 牽引逆變器的碳化硅已確認(rèn)支持更長的行駛里程和更高效的駕駛循環(huán)性能。如圖 1 所示，它指的是四輪驅(qū)動配置，HybridPACK 電源模塊可以很容易地包含在電動汽車的設(shè)計中。后橋配備了 HybridPACK Drive CoolSiC MOSFET，這是一種新穎的解決方案，由于引入了碳化硅，因此能夠提供更長的續(xù)航里程，或者作為替代方案，能夠在相同的續(xù)航里程下減小電池尺寸，有助于降低系統(tǒng)成本。從圖 1 中可以看出，碳化硅并不是要完全取代硅，但是兩種技術(shù)可以在同一應(yīng)用中共存。在示例配置中，HybridPACK Drive IGBT 安裝在前橋上，該解決方案非常適合“按需”全輪驅(qū)動系統(tǒng)。在正常行駛條件下，只有后橋有動力。每當(dāng)檢測到車輪打滑時，牽引力控制裝置也在前橋上傳遞扭矩。在大多數(shù)車輛中，這種情況發(fā)生的概率大約為 5% 到 10%，因此基于硅的 IGBT 解決方案有助于降低成本。因此，我們可以在同一輛車的兩個車軸上同時使用 IGBT 和 SiC 技術(shù)，每種技術(shù)都有自己的特定性能。硅用于需要以最低成本獲得峰值性能的地方，而碳化硅則用于效率是真正驅(qū)動因素的地方。

“電動全球模塊化平臺 (E-GMP) 的 800 V 系統(tǒng)代表了縮短充電時間的下一代電動汽車的技術(shù)基礎(chǔ)，”現(xiàn)代汽車電氣化開發(fā)團隊負(fù)責(zé)人 Jin-Hwan Jung 博士說團體。“通過使用基于英飛凌 CoolSiC 功率模塊的牽引逆變器，我們能夠?qū)④囕v的行駛里程增加 5% 以上，因為與基于硅的解決方案相比，這種 SiC 解決方案的損耗更低，從而提高了效率。”

HybridPACKDrive 電源模塊系列旨在滿足汽車市場的大批量生產(chǎn)、高穩(wěn)健性、高功率密度和低成本要求。

英飛凌創(chuàng)新和新興技術(shù)負(fù)責(zé)人 Mark Münzer 表示：“汽車電動汽車市場已經(jīng)變得高度活躍，為創(chuàng)意和創(chuàng)新鋪平了道路?！?“隨著 SiC 器件的價格顯著下降，SiC 解決方案的商業(yè)化將加速，從而產(chǎn)生采用 SiC 技術(shù)的更具成本效益的平臺，以提高電動汽車的續(xù)航里程?！?/p>

英飛凌碳化硅溝槽技術(shù)

HybridPACK Drive 于 2017 年首次推出，采用英飛凌的硅 EDT2 技術(shù)，經(jīng)過專門優(yōu)化，可在實際駕駛循環(huán)中提供最佳效率。該產(chǎn)品在 750 V 和 1200 V 等級內(nèi)提供 100 kW 至 180 kW 的可擴展功率范圍，是英飛凌市場領(lǐng)先的功率模塊，為 20 多個電動汽車平臺出貨超過 100 萬件。由于這是一個質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，很明顯可以通過在其設(shè)計中集成碳化硅來增強已經(jīng)很好的產(chǎn)品。所有這些客戶現(xiàn)在都有機會查看他們的汽車產(chǎn)品組合，看看他們用碳化硅升級他們的設(shè)計是否有意義。因為外形因素，即機械設(shè)計，保持不變，

新的 CoolSiC 版本基于英飛凌的碳化硅溝槽 MOSFET 結(jié)構(gòu)，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)更高的單元密度并實現(xiàn)同類最佳的品質(zhì)因數(shù)。因此，溝槽 MOSFET 可以在較低的柵極氧化物場強下運行，從而提高可靠性。

碳化硅 MOSFET 結(jié)構(gòu)比較

英飛凌的溝槽 MOSFET 結(jié)構(gòu)沒有充分發(fā)揮性能潛力，而是旨在提供更高的可靠性。

HybridPACK 電源模塊提供了一條從硅到碳化硅的簡單升級路徑，占用空間相同。這使得逆變器設(shè)計能夠在 1200 V 級別實現(xiàn)高達(dá) 250 kW 的更高功率、更大的行駛里程、更小的電池尺寸以及優(yōu)化的系統(tǒng)尺寸和成本。為了為不同的功率級別提供最佳的性價比，該產(chǎn)品提供兩個不同芯片數(shù)量的版本，從而在 1200 V 等級中提供 400 A 或 200 A DC 額定版本。

英飛凌已經(jīng)在為第二代碳化硅技術(shù)（SiC GEN2）做準(zhǔn)備。今天的第一代 HybridPACK Drive SiC 功率模塊系列將得到擴展，不僅提供 1200 V，還提供 700 V 阻斷電壓能力。

第一代 CoolSiC 汽車 MOSFET 技術(shù)針對牽引逆變器進行了優(yōu)化，重點是實現(xiàn)最低的傳導(dǎo)損耗，尤其是在部分負(fù)載條件下。結(jié)合碳化硅 MOSFET 的低開關(guān)損耗，這可以提高逆變器操作的效率，與硅 IGBT 相比。

除了優(yōu)化性能，英飛凌非常重視可靠性。汽車 CoolSiC? MOSFET 的設(shè)計和測試旨在實現(xiàn)短路穩(wěn)健性以及高度的宇宙射線和柵極氧化物穩(wěn)健性，這是設(shè)計高效可靠的汽車牽引逆變器和其他高壓應(yīng)用的關(guān)鍵。HybridPACK Drive CoolSiC 電源模塊完全符合汽車電源模塊的 AQG324 規(guī)范。

審核編輯 黃昊宇