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讓電動汽車延長5%里程的SiC主驅(qū)逆變器

發(fā)布時間:2023-11-12 來源:安森美 責任編輯:wenwei

【導讀】本文闡述了如何在主驅(qū)逆變器中使用碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 將電動汽車的續(xù)航里程延長多達 5%。另外,文中還討論了為什么一些原始設備制造商 (OEM) 不愿意從硅基絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 過渡到 SiC 器件,以及安森美 (onsemi) 為緩解 OEM 的擔憂同時提升 OEM 對這種成熟的寬禁帶半導體技術的信心所做的努力。


不斷增長的消費需求、持續(xù)提高的環(huán)保意識/環(huán)境法規(guī)約束,以及越來越豐富的可選方案,都在推動著人們選用電動汽車 (EV),令電動汽車日益普及。高盛近期的一項研究顯示,到 2023 年,電動汽車銷量將占全球汽車銷量的 10%;到 2030 年,預計將增長至 30%;到 2035 年,電動汽車銷量將有可能占全球汽車銷量的一半。然而,“里程焦慮”,也就是擔心充一次電后行駛里程不夠長,則是影響電動汽車普及的主要障礙之一??朔@一問題的關鍵是在不顯著增加成本的情況下延長車輛行駛里程。本文闡述了如何在主驅(qū)逆變器中使用碳化硅 (SiC) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 將電動汽車的續(xù)航里程延長多達 5%。


01 汽車主驅(qū)逆變器設計趨勢


電動汽車中的主驅(qū)(主)逆變器將直流電池電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓,從而滿足電動牽引電機對交流電壓的需求,令其能夠順利驅(qū)動車輛。主驅(qū)逆變器設計的最新趨勢包括:


●   增加功率:逆變器的功率輸出越大,車輛加速越快,對駕駛員的響應也越快。

●   效率最大化:最大限度地減少逆變器消耗的電量,以增加用來驅(qū)動車輛的功率。

●   提高電壓:直到最近,400V 電池一直都是電動汽車中最常見的規(guī)格,但汽車行業(yè)正在向 800V 發(fā)展,以減小電流、電纜厚度和重量。為此,電動汽車中的主驅(qū)逆變器必須能夠處理這種更高的電壓并使用合適的組件。

●   減輕重量和尺寸:與硅基 IGBT 相比,SiC 具有更高的功率密度 (kW/kg)。更高的功率密度有助于減小系統(tǒng)尺寸(kW/L),減輕主驅(qū)逆變器的重量,同時減少電機的負載。車輛重量降低有助于在使用相同電池的情況下延長車輛的行駛里程,同時減小傳動系統(tǒng)的體積,增加乘員和后備箱的可用空間。


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圖 1:電動汽車主驅(qū)逆變器設計的最新趨勢


02 SiC 相對于硅的優(yōu)勢


與硅相比,碳化硅在材料特性方面具有多種優(yōu)勢,因而成為主驅(qū)逆變器設計的更優(yōu)選擇。首先是它的物理硬度,達到了 9.5 莫氏硬度,而硅為 6.5 莫氏硬度,所以碳化硅更適合高壓燒結并具有更高的機械完整性。再者,碳化硅的熱導率 (4.9W/cm.K) 是硅 (1.15 W/cm.K) 的四倍多,這意味著它可以更有效地傳遞熱量從而在更高溫度下可靠運行。最后,碳化硅的擊穿電壓(2500kV/cm)是硅(300kV/cm)的 8 倍多,而且它具有寬帶隙性質(zhì),能夠更快地導通和關斷,因而成為電動汽車日益升高的電壓 (800V) 架構的更優(yōu)選擇,同時更寬的帶隙電壓意味著它的損耗比硅更低。


03 消解廠商對于采用 SiC 的顧慮


盡管 SiC 具有明顯的優(yōu)勢,但一些汽車 OEM 廠商還是遲遲不肯放棄更傳統(tǒng)的硅基開關器件,例如用于主驅(qū)逆變器的 IGBT。OEM 廠商不愿采用 SiC 的原因包括:


●   認為 SiC 是一種尚未成熟的技術

●   覺得 SiC 難以實施

●   以為 SiC 沒有適合主驅(qū)應用的封裝

●   認為 SiC 的供應不如硅基器件便利

●   覺得 SiC 比 IGBT 更貴


下文將從多個角度說明為什么上述看法缺少根據(jù),以及為什么 OEM 應該有信心在電動汽車主驅(qū)逆變器中使用 SiC。


04 證明 SiC 可提高主驅(qū)逆變器效率


提升 OEM 信心的第一步是展示在主驅(qū)逆變器設計中使用 SiC 可實現(xiàn)的明顯性能優(yōu)勢。我們使用電路設計軟件對安森美的NVXR17S90M2SPB(1.7mΩ Rdson)和 NVXR22S90M2SPB(2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900 V 六組功率模塊進行了仿真,并將其性能與 820 A VE-Trac Direct IGBT(同樣來自安森美)進行了比較。主驅(qū)逆變器設計的仿真結果表明:


●   對于 10KHz 開關頻率下 450V 直流母線電壓和 550Arms 功率傳輸,在相同散熱條件下,SiC 模塊的 Tvj(結溫)(111°C) 比 IGBT (142°C) 低 21%。

●   與 IGBT 相比,NVXR17S90M2SPB 的平均開關損耗降低了 34.5%,NVXR22S90M2SPB 的平均開關損耗則降低了 16.3%。

●   與基于 IGBT 的設計相比,使用 NVXR17S90M2SPB 實施的全主驅(qū)逆變器設計的總體損耗降低了 40% 以上,使用 NVXR22S90M2SPB 時功率損耗則降低了 25%。


雖然這些改進針對的是主驅(qū)逆變器,但它們可以使電動汽車整體能效提高 5%,從而使續(xù)航里程延長 5%。例如,配備 100kW 電池、續(xù)航里程為 500 公里的電動汽車,如果使用基于安森美 EliteSiC 功率模塊的主驅(qū)逆變器,那么它的行駛里程則可達 525 公里。值得注意的是,在此類主驅(qū)逆變器中使用 SiC 的成本也將比硅 IGBT 低 5%。


05 更高的功率傳輸


對于考慮放棄 IGBT 的 OEM 而言,安森美提供了具有類似尺寸的 SiC 模塊,不但便于集成,而且還簡化了實施過程,無需對制造流程進行任何更改。此外,SiC 模塊還具有在相同結溫下提供更高功率的額外優(yōu)勢。例如,NVXR17S90M2SPB 可提供 760Arms,而 IGBT (Tvj =150°C) 只能提供 590Arms,前者比后者增加了 29% 的功率。此外,安森美將 SiC 芯片燒結在直接鍵合銅板上,使器件結點和冷卻劑之間的熱阻降低多達 20%(Rth 結點到流體 = 0.08oC/W)。


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圖 2:安森美的 SiC 封裝具有出色的低熱阻


采用先進互連技術的壓鑄模封裝進一步提高了 SiC 模塊的高功率密度,并且具有低雜散電感(對于高速開關效率非常重要),而且更高的開關頻率有助于減小系統(tǒng)中一些無源組件的尺寸和重量。此外,這種封裝類型具有多種工作溫度選項(最高達 200°C),可降低 OEM 的散熱要求,并有望采用更小的泵進行熱管理。


06 在更廣泛的架構中改用 SiC


隨著電動汽車電池電壓的增加,我們可以在維持相同功率輸出的情況下減小電流。從系統(tǒng)層面而言,這意味著汽車中的電纜將變得更細。轉(zhuǎn)向 SiC 將變得越來越合理,因為 SiC 器件產(chǎn)生的熱量比硅基器件更少,可實現(xiàn)更高的功率密度,不僅是在主驅(qū)逆變器中,而且在更廣泛的電動汽車架構中也能發(fā)揮巨大作用。


07 安森美消除 OEM 對于 SiC 供應的擔憂


安森美投入巨資打造全整合且成熟的 SiC 供應鏈和生態(tài)系統(tǒng),包括晶圓外延和 150mm 制造(計劃向200mm發(fā)展),涉及分立產(chǎn)品、集成電路器件、模塊和參考應用設計。經(jīng)過十多年的發(fā)展,安森美積累了深厚的專業(yè)知識,可以幫助汽車 OEM 廠商消除對于轉(zhuǎn)用 SiC 的各種擔憂。


作者:安森美汽車主驅(qū)解決方案高級產(chǎn)品線經(jīng)理 Jonathan Liao



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