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- 发布日期：2024-02-06 09:14 点击次数：121
作者：安森美汽车主驱解决方案高级产品线经理 Jonathan Liao
不断增长的消费者需求、不断提高的环境意识/环境法律法规约束以及越来越多的可选方案正在促进人们选择电动汽车 (EV)，使电动汽车越来越受欢迎。高盛最近的一项研究表明，到 2023 年，电动汽车销量将占全球汽车销量的比重 10%；到 2030 年，预计将增长到 30%；到 2035 2000年，电动汽车销量可能占全球汽车销量的一半。然而，“里程焦虑”是影响电动汽车普及的主要障碍之一，即担心充电后里程不够长。克服这一问题的关键是延长车辆行驶里程，而不显著增加成本。本文阐述了如何在主驱逆变器中使用碳化硅 (SiC) 金属氧化物半导体效应晶体管 (MOSFET) 将电动汽车的续航里程延长多达 5%。此外，本文还讨论了为什么一些原始设备制造商 (OEM) 不愿意从硅基绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 过渡到 SiC 以及安森美 (onsemi) 为缓解 OEM 同时，担忧也增加了 OEM 努力实现这种成熟的宽禁带半导体技术的信心。01汽车主驱逆变器设计趋势
电动汽车中的主驱动器（主驱动器）逆变器将DC电池电压转换为交流电压，以满足电动牵引电机对交流电压的需求，使其能够顺利驱动车辆。主驱动逆变器设计的最新趋势包括：
增加功率：逆变器的功率输出越大，车辆加速越快，对驾驶员的响应越快。 效率最大化:为了增加驱动车辆的功率，最大限度地减少逆变器的功耗。 提高电压：直到最近，400V 电池一直是电动汽车中最常见的规格，但是汽车工业正朝着这个方向发展 800V 为了降低电流、电缆的厚度和重量。因此，电动汽车中的主驱逆变器必须能够处理更高的电压并使用合适的部件。 减轻重量和尺寸：硅基和硅基 IGBT 相比，SiC 功率密度更高 (kW/kg)。更高的功率密度有助于降低系统尺寸（kW/L），减轻主驱逆变器的重量，减轻电机的负载。减轻车辆重量有助于延长车辆的里程，减少传动系统的体积，增加乘客和后备箱的可用空间。
图 1：02SiC电动汽车主驱逆变器设计的最新趋势 相对于硅的优点
与硅相比，碳化硅在材料特性上具有许多优点，因此成为主驱逆变器设计的更佳选择。首先，它的物理硬度达到了 9.5 莫氏硬度，硅为 6.5 莫氏硬度，因此碳化硅更适合高压烧结，机械完整性更高。此外，碳化硅的导热系数 (4.9W/cm.K) 是硅 (1.15 W/cm.K) 这意味着它可以更有效地传递热量，在更高的温度下可靠地运行。最后，碳化硅的击穿电压(2500kV/cm）硅(300kV/cm）的 8 倍多，具有宽带间隙性能，导通和关闭速度更快，因此成为电动汽车电压上升的一种方式 (800V) 更好的架构选择，更宽的带隙电压意味着它的损失低于硅。03消解制造商采用 SiC 的顾虑
尽管 SiC 但有些车有明显的优势，但有些车有明显的优势 OEM 制造商仍然拒绝放弃更传统的硅基开关设备，如主驱逆变器 IGBT。OEM 制造商不愿意采用 SiC 原因包括：
认为 SiC 是一种尚未成熟的技术 觉得 SiC 难以实施 以为 SiC 没有适合主驱应用的封装 认为 SiC 硅基设备的供应不如硅基设备方便 觉得 SiC 比 IGBT 更贵下面将从多个角度解释为什么上述观点缺乏基础，为什么 OEM 有信心在电动汽车的主驱逆变器中使用它 SiC。04证明 SiC 提高主驱逆变器的效率
提升 OEM 信心的第一步是在主驱逆变器的设计中展示信心 SiC 明显的性能优势可以实现。安森美NVXR17S90M2SPB(1.7mΩ Rdson)和 NVXR2S90M2SPBmΩ Rdson) EliteSiC Power 900 V 模拟了六组功率模块，ARM架构，芯片，集成电路并将其性能与 820 A VE-Trac Direct IGBT(也来自安森美)进行了比较。主驱逆变器设计的模拟结果表明：
对于 10KHz 开关频率下 450V 直流母线电压和 550Arms 在相同的散热条件下，功率传输，SiC 模块的 Tvj（结温）(111°C) 比 IGBT (142°C) 低 21%。 与 IGBT 与NVXR17S90M2SPB相比， 平均开关损耗降低 NVXR22S90M2SPBB34.5% 平均开关损耗降低了 16.3%。 与基于 IGBT 与设计相比，使用 NVXR17S90m2SPB 全主驱动逆变器设计的总体损失减少了 40% 以上，使用 NVXR2S90M2SPB 时间功率损失减少 25%。虽然这些改进是针对主驱逆变器的，但它们可以提高电动汽车的整体效率 5%延长续航里程 5%。例如，配备 100kW 电池，续航里程为 500 如果使用基于安森美的公里电动汽车 EliteSiC 功率模块的主驱逆变器，其行驶里程可达 525 公里。值得注意的是，在这种主驱逆变器中使用 SiC 成本也将比硅更高 IGBT 低 5%。05功率传输较高
考虑放弃 IGBT 的 OEM 就安森美而言，它提供了类似的尺寸 SiC 该模块不仅易于集成，而且简化了实施过程，无需更改制造过程。此外，SiC 该模块还具有在相同的结温下提供更高功率的额外优点。例如，NVXR17S90M2SPB 可提供 760Arms，而 IGBT (Tvj =150°C) 只能提供 前者比后者增加了590Arms 29% 的功率。另外，安森美将 SiC 芯片烧结在直接键合铜板上，使设备结点与冷却剂之间的热阻降低多达 20%（Rth 结点到流体 = 0.08ºC/W）。
图 2：安森美的 SiC 封装具有优异的低热阻
采用先进互连技术的压铸模包装进一步改进 SiC 该模块具有高功率密度和低杂散电感（对于高速开关效率非常重要），开关频率较高有助于减小系统中某些被动组件的尺寸和重量。此外，这种包装类型有多种工作温度选项(最高 200°C），可降低 OEM 预计将采用较小的泵进行散热管理。06在更广泛的架构中被改用 SiC
随着电动汽车电池电压的增加，我们可以在保持相同功率输出的同时降低电流。从系统层面来看，这意味着汽车中的电缆会变得更薄。转向 SiC 因为它会变得越来越合理，因为 SiC 该装置产生的热量低于硅基装置，可以实现更高的功率密度，不仅在主驱逆变器中，而且在更广泛的电动汽车架构中发挥重要作用。07安森美消除 OEM 对于 SiC 安森美投入巨资打造全面成熟的供应担忧 SiC 供应链和生态系统，包括晶圆的延伸和 150mm 涉及分立产品、集成电路设备、模块和参考应用设计的制造(计划向200mm发展)。经过十多年的发展，安森美积累了深厚的专业知识，可以帮助汽车 OEM 厂家消除转用 SiC 各种各样的担忧。
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