以碳化硅技術(shù)牽引逆變器 延展電動(dòng)車行駛里程

目前影響著車輛運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)的未來有兩大因素。業(yè)界正在采用令人振奮的新方法，即以潔凈的能源驅(qū)動(dòng)我們的汽車，同時(shí)重新設(shè)計(jì)支撐電動(dòng)車（EV）子系統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，大幅提升功效比，進(jìn)而增加電動(dòng)車的行駛里程。

政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)持續(xù)要求汽車OEM減少其車系的整體二氧化碳排放量，對于違規(guī)行為給予嚴(yán)厲的處罰，同時(shí)開始沿著道路和停車區(qū)域增設(shè)電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施。但是，盡管取得了這些進(jìn)展，主流消費(fèi)者仍然對電動(dòng)車的行駛里程存有疑慮，使電動(dòng)車的推廣受到阻力。

更復(fù)雜的是，大尺寸的電動(dòng)車電池雖然可以增加其行駛里程，緩解消費(fèi)者關(guān)于行駛里程的焦慮，但它會(huì)使電動(dòng)車的價(jià)格上漲—電池成本在整車成本中的占比超過25%。

幸運(yùn)的是，同時(shí)期的半導(dǎo)體技術(shù)革命催生了新的寬能隙組件，例如碳化硅（SiC） MOSFET功率開關(guān)，使得消費(fèi)者對電動(dòng)車行駛里程的期望與OEM在成本架構(gòu)下可真正實(shí)現(xiàn)里程之間的差距得以縮小。

Wolfspeed公司功率平臺(tái)經(jīng)理Anuj Narain表示：「相較于現(xiàn)有的硅基技術(shù)，SiC MOSFET被廣泛認(rèn)為可以為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車的駕駛周期增加5%至10%的續(xù)航里程?！挂虼耍鼈兪请妱?dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)中新一代牽引逆變器的重要組成部分。如果與配套組件一起進(jìn)行適當(dāng)開發(fā)，其能效提升將代表著消費(fèi)者對電動(dòng)車領(lǐng)域信心大幅增加，并有助于加速電動(dòng)車的普及。

 
圖一 : 電動(dòng)車中的功率轉(zhuǎn)換零件。牽引逆變器將高壓電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流波形來驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。

充分利用SiC技術(shù)
眾所皆知，基于SiC的功率開關(guān)本身在功率密度和效率方面具有優(yōu)勢，這對于系統(tǒng)散熱和減小組件尺寸都具有重要意義。采用SiC可望使逆變器尺寸在800 V/250 kW時(shí)縮小3倍，如果配合使用直流環(huán)節(jié)薄膜電容，則能進(jìn)一步減小尺寸和節(jié)省成本。

相較于傳統(tǒng)的硅功率開關(guān)，SiC功率開關(guān)可協(xié)助實(shí)現(xiàn)更杰出的行駛里程和/或更小的電池尺寸，使得開關(guān)成本在組件級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)別都更具有優(yōu)勢。

 
圖二 : 電池至馬達(dá)訊號(hào)鏈。為了增加行駛里程，每個(gè)模塊都應(yīng)設(shè)計(jì)為可提供最高能效。

在同時(shí)考慮行駛里程和成本因素時(shí)，仍然需要以牽引逆變器為焦點(diǎn)不斷創(chuàng)新，目的在進(jìn)一步提升電動(dòng)車的效率和行駛里程。作為牽引逆變器中價(jià)格最昂貴、功能最重要的組件，SiC功率開關(guān)需要接受精準(zhǔn)控制，以充分發(fā)揮額外的開關(guān)成本的價(jià)值。

 
圖三 : 開啟（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的電壓和電流波形。在SiC環(huán)境中，dv/dt將超過10 V/ns，這表示開關(guān)800 V直流電壓的時(shí)間不會(huì)超過80 ns。同樣，di/dt為10 A/ns時(shí)，表示在80 ns內(nèi)電流為800 A，從中可以觀察到di/dt的變化。

事實(shí)上，SiC開關(guān)的所有固有優(yōu)勢都會(huì)被共模噪聲干擾，以及被管理不善的功率開關(guān)環(huán)境中的超快電壓和電流瞬變（dv/dt和di/dt）導(dǎo)致的極高和破壞性的電壓過沖影響。一般來說，拋開底層技術(shù)不談，SiC開關(guān)的功能相對簡單，它只是一個(gè)3端組件，但必須小心連接至系統(tǒng)。

閘極驅(qū)動(dòng)器的作用
隔離式閘極驅(qū)動(dòng)器的作用關(guān)系到功率開關(guān)的最佳開關(guān)點(diǎn)，確保透過隔離閘實(shí)現(xiàn)短而準(zhǔn)確的傳播延遲，同時(shí)提供系統(tǒng)和安全隔離，避免功率開關(guān)過熱，檢測和防止短路，并促使在ASIL D系統(tǒng)中插入子模塊驅(qū)動(dòng)/開關(guān)功能。

 
圖四 : 隔離式閘極驅(qū)動(dòng)器橋接了訊號(hào)世界（控制單元）和功率世界（SiC開關(guān)）；除了隔離和訊號(hào)驅(qū)動(dòng)，并執(zhí)行遙測、保護(hù)和診斷功能，使其成為訊號(hào)鏈的關(guān)鍵組件。

但是，SiC開關(guān)導(dǎo)致的高擺率瞬態(tài)會(huì)破壞跨越隔離閘的數(shù)據(jù)傳輸，所以量測和了解對這些瞬變的敏感性非常重要。ADI專有的 iCoupler

技術(shù)具有卓越的共模瞬變抗擾度（CMTI），量測性能高達(dá)200 V/ns及以上。在安全操作環(huán)境中，這可以充分釋放SiC開關(guān)時(shí)間的潛力。

 
圖五 : 20多年來，ADI一直居于數(shù)字隔離技術(shù)發(fā)展的前端，并推出iCoupler數(shù)字隔離IC。該技術(shù)采用具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS制程。變壓器采用差分架構(gòu)，具有卓越的共模瞬變抗擾度。

考慮到較小的芯片尺寸和嚴(yán)格的熱封裝，短路是基于SiC的電源開關(guān)的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)。閘極驅(qū)動(dòng)器為電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化提供了必要的短路保護(hù)。

在Wolfspeed等先進(jìn)SiC MOSFET功率開關(guān)供貨商的實(shí)際測試中，高性能閘極驅(qū)動(dòng)器已證實(shí)了自身的價(jià)值。對于關(guān)鍵參數(shù)性能，例如短路檢測時(shí)間和總故障清除時(shí)間，可分別低至300 ns和800 ns。為了提升安全性和保護(hù)等級(jí)，測試結(jié)果顯示，可調(diào)的軟關(guān)斷能力對于系統(tǒng)能否平穩(wěn)運(yùn)行非常重要。

同樣的，可以大幅提升開關(guān)能量和電磁兼容性（EMC），以最大限度提高功率性能和電動(dòng)車的行駛里程。驅(qū)動(dòng)能力更高時(shí)，用戶可以獲得更快的邊緣速率，從而降低開關(guān)損耗。這不僅有助于提升效率，而且無需為每個(gè)閘極驅(qū)動(dòng)器分配外部緩沖器，從而節(jié)省了電路板空間和成本。

相反的，在某些條件下，系統(tǒng)可能需要降低開關(guān)速度來實(shí)現(xiàn)卓越的效率，甚至需要分級(jí)開關(guān)，研究顯示以上可以進(jìn)一步提升效率。ADI提供可調(diào)壓擺率，允許用戶進(jìn)行此操作，去除外部緩沖器則進(jìn)一步減少了阻礙。

系統(tǒng)要素
需要注意的是，閘極驅(qū)動(dòng)器和SiC開關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能完全被周圍組件的妥協(xié)和/或低效抵消。ADI結(jié)合功率控制和感測方面的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)級(jí)的性能優(yōu)化方法，將可涵蓋多種設(shè)計(jì)考慮。

從整體角度來看，電動(dòng)車顯露了優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)功率效率的額外機(jī)會(huì)，這對于在確保安全可靠運(yùn)行的同時(shí)大幅利用電池可用容量來說非常重要。電池管理系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響電動(dòng)車每次充電所能行駛的里程數(shù)。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統(tǒng)能夠大幅延長電池的整體使用壽命，從而降低總擁有成本（TCO）。

就功率管理而言，能夠在不降低BOM成本或減小PCB尺寸的情況下克服復(fù)雜的電磁干擾問題（EMI）將變得非常重要。無論是隔離式閘極驅(qū)動(dòng)器的供電電路，還是高壓至低壓DC-DC電路，高功效比、熱性能和封裝仍然是功率域的關(guān)鍵考慮因素。

在所有情況下，能否消除電磁干擾對電動(dòng)車設(shè)計(jì)人員而言極為重要。涉及到開關(guān)多個(gè)電源時(shí)，電磁干擾是一個(gè)非常關(guān)鍵的痛點(diǎn)，如果EMC性能卓越，則極有助于減少測試周期和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而加快上市速度。

如果深入研究支持零件的生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電磁感測技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)產(chǎn)生了新一代無接觸電流傳感器，該傳感器能夠提供高帶寬、高精度，而且無功率損耗，此外，還推動(dòng)產(chǎn)生了精密且可靠的位置傳感器，適用于軸端和軸外布置。典型的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車中布署15到30個(gè)電流傳感器，并采用旋轉(zhuǎn)和位置傳感器來監(jiān)測牽引馬達(dá)。在干擾電磁場下的精度和可靠性是跨電動(dòng)車功率系統(tǒng)測量和保持性能的重要屬性。

端到端效率
從電池到牽引逆變器，再到支持組件等，從整體來看電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)的所有組件，ADI發(fā)現(xiàn)了無數(shù)改善電動(dòng)車的機(jī)會(huì)，可以提升其整體能效，還能增加電動(dòng)車行駛里程。隨著SiC功率開關(guān)技術(shù)滲透到電動(dòng)車牽引逆變器中，數(shù)字隔離已成為其中一個(gè)重要的組成部分。

同樣的，汽車OEM可以利用多學(xué)科方法來優(yōu)化電動(dòng)車，以確保所有可用的功率監(jiān)測和控制組件密切配合大幅提升性能和效率。同時(shí)，它們可以協(xié)助消除主流消費(fèi)者購買電動(dòng)車的最后一個(gè)障礙，即行駛里程和成本，同時(shí)協(xié)助打造更環(huán)保的未來。

（本文作者Timothe Rossignol 為ADI 營銷經(jīng)理）