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          相較IGBT,SiC如何優(yōu)化混動和電動汽車的能效和性能?

          作者: 時間:2023-05-10 來源:安森美 收藏

          隨著人們對電動汽車 (EV) 和混動汽車 (HEV) 的興趣和市場支持不斷增加,汽車制造商為向不斷擴(kuò)大的客戶群提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,競爭日益激烈。由于 EV 的電機(jī)需要高千瓦時電源來驅(qū)動,傳統(tǒng)的 12 V 電池已讓位于 400-450 V DC 數(shù)量級的電池組,成為 EV 和 HEV 的主流電池電壓。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202305/446396.htm


          市場已經(jīng)在推動向更高電壓電池的轉(zhuǎn)變。800 V DC 和更大的電池將變得更占優(yōu)勢,因為使用更高的電壓意味著系統(tǒng)可以在更低的電流下運(yùn)行,同時實(shí)現(xiàn)相同的功率輸出。較低電流的優(yōu)點(diǎn)是損耗較低,需要管理的熱耗散較少,還有利于使用更小的電纜為整個車輛供電。


          不斷發(fā)展的電動汽車技術(shù)對于在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的交通運(yùn)輸至關(guān)重要。到 2024 年底,道路上將有超過 700 萬輛汽車搭載 (onsemi) VE-Trac?功率模塊,僅這些車輛就可以每年減少 2900 萬噸的二氧化碳排放量(見圖 1)。


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          圖 1.減少車輛搭載 VE-Trac 功率模塊后可減少的二氧化碳排放量


          主驅(qū)逆變器


          電池的主要負(fù)載是車輛的電機(jī),使用交流電機(jī)的 EV 和 HEV 依賴于主驅(qū)逆變器將直流電池電源轉(zhuǎn)換為交流電(見圖 2)。主驅(qū)逆變器是電動汽車的心臟,提供驅(qū)動汽車前進(jìn)所需的扭矩和加速度。主驅(qū)逆變器的兩個主要設(shè)計考慮因素包括轉(zhuǎn)換效率和峰值功率。


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          圖 2. 主驅(qū)逆變器將直流電池電源轉(zhuǎn)換為交流電源,提供扭矩和加速度


          從 DC 到 AC 的電源轉(zhuǎn)換效率越高,車輛就可以使用更小的電池做更多的事情。更高的效率還意味著系統(tǒng)可以提供更多的功率,并減少需要管理的散熱。


          峰值功率決定了車輛的整體性能,特別是車輛的瞬時扭矩和加速能力。效率(續(xù)航里程)和峰值功率(性能)共同決定了車輛的應(yīng)用和使用場景。


          如今,許多 EV 和 HEV 都是基于 技術(shù)構(gòu)建的。隨著碳化硅 () 技術(shù)的問世,更高的效率和性能成為可能。


          碳化硅的優(yōu)勢


          技術(shù)通常為中低檔車輛提供更具成本效益的解決方案, 提供出色的效率和峰值功率,尤其是在較高電壓下,適用于非常重視續(xù)航里程和性能的車輛,系統(tǒng)成本也更加靈活。每個芯片阻抗更低,可實(shí)現(xiàn)出色的效率和熱優(yōu)化。在這些功能的共同作用下,每英里的電池消耗得以降低。雖然 的成本高于 ,但在許多應(yīng)用中,這被 SiC 提高的能效所帶來的整車其他方面的成本節(jié)省所抵消。


          圖 3 到圖 6比較了 IGBT 效率與 SiC 效率。在圖 3 和圖 4中,NVH820S75L4SPB 是 IGBT 模塊(方形連線圖),而 NVXR17S90M2SPB 是 SiC 模塊(圓形連線圖)。這兩張圖顯示了 IGBT 因開關(guān)頻率和 RMS 負(fù)載電流具有更高的功率損耗。圖 5 和圖 6 顯示,以更高頻率運(yùn)行的 SiC 可實(shí)現(xiàn)出色的效率增益。


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          圖 3. 8 kHz 開關(guān)頻率時的功率損耗


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          圖 4. 15 kHz 開關(guān)頻率時的功率損耗


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          圖 5. 8 kHz 時的效率增益


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          圖 6. 15 kHz 時的效率增益


          就本質(zhì)而言,當(dāng)前的 IGBT 技術(shù)會隨著電壓的增加而變得更厚且效率更低,從而導(dǎo)致需要更高的阻斷電壓??梢曰?IGBT 構(gòu)建更高電壓的逆變器,但隨著電動汽車的電壓達(dá)到 800 V 及以上,SiC 的效率將大大高于 IGBT。在更高電壓下,SiC 不必像 IGBT 一樣厚也能實(shí)現(xiàn)阻斷電壓。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下,IGBT 的效率約為 94%。然而,在較低負(fù)載下,其效率下降至 92%,例如當(dāng)車輛以巡航速度運(yùn)行時。相比之下,SiC 在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下可達(dá)到 98%,增益為 4%。SiC 在較低負(fù)載下具有 95% 的效率,增益為 3%。


          增加行駛里程:


          一個 100 千瓦時的電池和基于 IGBT 的逆變器解決方案,可以產(chǎn)生 300 英里的最大行駛里程。使用 SiC ,效率提高 3% 以上,將使車輛的續(xù)航里程增加 9 英里或更多。對于具有更大電池的車輛,例如長途運(yùn)輸卡車,續(xù)航里程會更遠(yuǎn)。


          更小直徑的布線:


          電機(jī)可以用較低的電流驅(qū)動,因為基于 SiC 的主驅(qū)逆變器在較高電壓下運(yùn)行效率更高。這樣,就可以使用直徑較小的電纜。貫穿車輛的布線的直徑變小,減少了整體重量,這樣只需更少的電力就能驅(qū)動車輛并增加總的行駛里程。此外,更小直徑的布線成本更低,抵消了使用高壓 SiC 主驅(qū)逆變器的成本。


          系統(tǒng)尺寸:


          SiC 技術(shù)的效率更高,使高壓主驅(qū)逆變器在尺寸上更加緊湊,而不會影響效率或峰值功率。較小的逆變器使設(shè)計人員在逆變器的放置方面具有更大的靈活性,并最大限度地增加了車內(nèi)的乘客空間和可用空間。


          熱管理:


          管理車輛內(nèi)的熱量對于維持整體系統(tǒng)效率至關(guān)重要?;?SiC 的主驅(qū)逆變器具有更高的熱效率,可產(chǎn)生更低的損耗和更少的散熱。這意味著逆變器在較低的溫度下運(yùn)行,帶來雙重好處:牽引系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率,同時降低散熱系統(tǒng)整體成本。


          VE-Trac 高度集成功率模塊


          IGBT 和 SiC 都是主驅(qū)逆變器系統(tǒng)的可行方案。然而,許多因素會影響整個牽引系統(tǒng)中主驅(qū)逆變器的效率和性能,沒有一個簡單的方程式可以確定適合給定應(yīng)用的最佳方法。


          通過與合作,工程師可以探索各種選擇。安森美擁有完整的主驅(qū)逆變器解決方案組合,包括 IGBT 和 SiC 技術(shù),因此 OEM 和一級供應(yīng)商可以為其應(yīng)用找到合適的逆變器半導(dǎo)體解決方案。安森美為 EV 和 HEV 應(yīng)用提供廣泛的牽引逆變器解決方案,VE-Trac 系列就是用于汽車功能電子化的高度集成功率模塊。這些模塊采用創(chuàng)新的封裝、先進(jìn)的散熱技術(shù)并具備出色的可靠性。


          安森美旗下的整個 IGBT 和 SiC 主驅(qū)逆變器產(chǎn)品線均采用標(biāo)準(zhǔn)的外殼模塊封裝和外形。通過標(biāo)準(zhǔn)封裝,OEM 可以使用同等的模塊外形,將現(xiàn)有的基于 IGBT 的系統(tǒng)遷移到 SiC。這使 OEM 只需對逆變器系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行少量修改,即可在現(xiàn)有應(yīng)用中獲得 SiC 的全部優(yōu)勢。


          然而,隨著行業(yè)朝著提高可靠性的方向發(fā)展,安森美也提供壓鑄模封裝 (TMP) 以實(shí)現(xiàn)更出色的可靠性。隨著 OEM 向市場推出新設(shè)計,TMP 可將器件封裝在非常堅固的塑封壓鑄模封裝中,提高電動汽車在惡劣運(yùn)行環(huán)境中電氣連接的可靠性。安森美提供半橋解決方案。


          在封裝選項中,安森美提供先進(jìn)的直接散熱技術(shù)以最大限度地提高導(dǎo)熱性,從而提高系統(tǒng)性能和可靠性。模塊在冷卻劑和 IGBT / SiC 芯片之間具有直接散熱路徑,無需額外的熱元件,例如熱界面材料 (TIM) 或散熱片。對于需要更多散熱的應(yīng)用,雙面散熱允許冷卻劑在模塊的頂面和底面流動,以更快地散熱。


          可靠性是 EV 和 HEV 的一個重要因素。通過使用先進(jìn)散熱技術(shù)改進(jìn)散熱并采用剛性封裝來保護(hù)電氣連接,OEM 可以設(shè)計出能夠在更長距離內(nèi)運(yùn)行而不會出現(xiàn)主驅(qū)系統(tǒng)故障的電動汽車。為了進(jìn)一步提高可靠性,安森美采用壓合式引腳技術(shù)來連接功率模塊和柵極驅(qū)動板之間的信號引腳。壓合式引腳是在其他汽車應(yīng)用中經(jīng)過驗證的技術(shù),例如 TPMS 和電機(jī)控制。壓合式引腳可確保穩(wěn)固連接,而且牢固、可靠、無焊料、可重復(fù),且針對自動化和大批量制造進(jìn)行了優(yōu)化。


          各種 VE-Trac 模塊還集成了智能 IGBT 芯片,使模塊能夠自我監(jiān)控自身的運(yùn)行狀況,以應(yīng)對過熱和過流等保護(hù)事件。在片上執(zhí)行自我監(jiān)控而不是通過外部 NTC 熱敏電阻進(jìn)行監(jiān)控,可以使模塊響應(yīng)更快,并最大限度地減少此類事件發(fā)生時的影響。


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          圖 7. VE-Trac 系列是高度集成的功率模塊,整合一系列電壓、功率和制造技術(shù),為各種混動和電動汽車應(yīng)用提供合適的解決方案。


          圖 7顯示了 VE-Trac 系列中 OEM 可用的許多選項。采用直接水冷技術(shù)的 VE-Trac Direct 模塊可輕松與壓合式標(biāo)準(zhǔn)外殼模塊封裝相集成,以提高靈活性和可靠性(見圖 8)。借助 IGBT 和 SiC 選項,VE-Trac Direct 模塊可提供 100 kW 以上的功率級可擴(kuò)展性。


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          圖 8. VE-Trac Direct 模塊可擴(kuò)展到 100 kW 以上且易于集成


          VE-Trac Dual 模塊采用緊湊型 TMP 外形尺寸,體積縮小 30%,同時為需要擴(kuò)展至 300 kW 的空間受限應(yīng)用提供相當(dāng)?shù)妮敵龉β剩ㄒ妶D 9)。VE-Trac 的使用壽命比標(biāo)準(zhǔn)模塊長 3 倍以上,還提供出色的電氣和熱性能、極低的封裝電感 (<7 nH) 和出色的 $/kW 值。集成了智能的 IGBT 片上溫度和電流傳感器,可實(shí)現(xiàn)更嚴(yán)格的容差(± 7°,而基于 NTC 的傳感為 ± 14°)和更快的故障檢測(200 ns,而 DESAT 為 2 μs+)。


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          圖 9. VE-Trac Dual 模塊采用緊湊型 TMP 外形,提供出色的電氣和熱性能及 $/kW 值。


          VE-Trac B2-Direct SiC 模塊采用新技術(shù),提供 SiC 的效率和高峰值功率,含下一代封裝、直接散熱和熱性能技術(shù),可延長整體壽命性能(見圖 10)。其他主要特性包括:通過銀燒結(jié)將芯片連接到 DBC 上、源夾具互連、與 AHPM DSC 的封裝兼容性,以及從中功率到高功率的可擴(kuò)展功率輸出。


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          圖 10. VE-Trac B2-Direct SiC 模塊通過下一代封裝、直接散熱、和熱性能技術(shù)提供出色的效率和高峰值功率。


          可擴(kuò)展集成


          憑借多功能和可擴(kuò)展的封裝選項,安森美可為每個應(yīng)用提供合適的模塊。VE-Trac Direct 功率模塊提供 100 至 180 kW 的可擴(kuò)展解決方案,具有適用于三相電機(jī)應(yīng)用的相同機(jī)械封裝。VE-Trac Dual 解決方案提供了極高的靈活性,功率模塊可以垂直橫向排列,可根據(jù)應(yīng)用調(diào)整逆變器系統(tǒng),使之更長更薄或更短更厚。此外,逆變器系統(tǒng)可以在同一相上并聯(lián)放置兩個多功率模塊,以增加峰值功率,從而在類似的緊湊外形中提供高達(dá) 2 倍的功率。


          作為功率半導(dǎo)體市場的領(lǐng)導(dǎo)者,安森美了解設(shè)計高效、可靠和可持續(xù)的電源解決方案的重要性。VE-Trac 系列等廣泛而靈活的集成模塊產(chǎn)品組合使 OEM 能夠為應(yīng)用選擇合適的解決方案,從低電壓、具有成本效益的 IGBT 模塊,到提供高效率和高峰值功率的高壓 SiC 模塊等。安森美也是一家 SiC 供應(yīng)商,提供全面的垂直整合量產(chǎn)服務(wù)。


          憑借在汽車行業(yè)的悠久歷史(40 多年),安森美還提供完整的設(shè)計支持,包括全面的應(yīng)用筆記和仿真模型,用戶還可獲得安森美功能安全專家和全球開發(fā)支持團(tuán)隊的幫助。除了對 SiC 制造等技術(shù)進(jìn)行大量投資外,安森美還以可靠的封裝、完整的垂直電源整合和先進(jìn)的散熱方案等創(chuàng)新,不斷推動整個行業(yè)的進(jìn)步。安森美了解汽車行業(yè)的發(fā)展方向,并致力于提供 OEM 所需的技術(shù),為混動和電動汽車提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電力驅(qū)動。


          本文作者:安森美高級產(chǎn)品線經(jīng)理Jonathan Liao



          關(guān)鍵詞: 安森美 IGBT SiC

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