IGBT 還是 SiC ? 英飛凌新型混合功率器件助力新能源汽車實(shí)現(xiàn)高性價比電驅(qū)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
近幾年新能源車發(fā)展迅猛，技術(shù)創(chuàng)新突飛猛進(jìn)。如何設(shè)計更高效的牽引逆變器使整車獲得更長的續(xù)航里程一直是研發(fā)技術(shù)人員探討的最重要話題之一。高效的牽引逆變器需要在功率、效率和材料利用率之間取得適當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>
當(dāng)前新能源汽車牽引逆變器的功率半導(dǎo)體器件幾乎都是基于單一的硅基(Si) 或者碳化硅基（SiC）。Si IGBT 或?qū)拵?SiC MOSFET功率半導(dǎo)體具有不同的性能特點(diǎn)，可以適合不同的目標(biāo)應(yīng)用。單一性質(zhì)的IGBT器件或SiC器件在逆變器應(yīng)用中很難同時滿足高效和成本的要求。
如今越來越多的設(shè)計人員希望以創(chuàng)造性的方式使用和組合半導(dǎo)體材料，以尋找Si和SiC的最佳平衡點(diǎn)。創(chuàng)新方法挑戰(zhàn)了以往某些應(yīng)用被鎖定在特定一種半導(dǎo)體材料上的既定觀念。例如，過去人們認(rèn)為逆變器的設(shè)計必須使用相同的半導(dǎo)體材料?，F(xiàn)在，融合技術(shù)正在將為新的設(shè)計可能性鋪平道路。英飛凌將不同的半導(dǎo)體材料創(chuàng)新性地結(jié)合到新型逆變器設(shè)計中，在成本和性能優(yōu)化方面實(shí)現(xiàn)市場驅(qū)動的平衡。
本文將探討英飛凌在混合式功率半導(dǎo)體創(chuàng)新技術(shù)方面為高效牽引逆變器在效率、成本和可持續(xù)性之間尋找更好的平衡點(diǎn)。
在探討新能源車的牽引逆變器功率器件首選是SiC還是Si 器件之前，我們先簡單對比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性：
1
從導(dǎo)通特性看，由于不同的物理結(jié)構(gòu)，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。SiC MOSFET導(dǎo)通特性表現(xiàn)得更像一個電阻輸出特性，而IGBT 則表現(xiàn)出一個非常明顯的拐點(diǎn)(Knee Voltage)特性。這種技術(shù)上的差異即表現(xiàn)出兩種器件不同的導(dǎo)通損耗特點(diǎn)。在電流較小時，SiC mosfet 具有更小的導(dǎo)通損耗，當(dāng)電流較大（超過曲線交點(diǎn)）時，IGBT 的導(dǎo)通損耗則更小。
圖 1 IGBT 和SIC MOSFET導(dǎo)通特性
2
從開關(guān)特性看，IGBT屬于雙極性器件，在關(guān)斷時由于少子的復(fù)合肯定會造成拖尾電流，使其開關(guān)損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關(guān)速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關(guān)損耗對比IGBT具明顯優(yōu)勢。
SiC mosfet 開關(guān)特性
IGBT 開關(guān)特性
圖 2 IGBT 和SIC MOSFET開關(guān)特性
綜上，SiC MOSFET器件并不是在所有負(fù)載條件下，都具有壓倒性的性能優(yōu)勢。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時需要考慮一個盈虧平衡點(diǎn)。
新能源車動力配置布局
新能源電動汽車的性能分配有多種選擇，主流方案就是在主驅(qū)動軸和副驅(qū)動軸之間進(jìn)行分配。在我們的示例中（圖3），主驅(qū)動軸始終處于嚙合狀態(tài)，滿足低功率常規(guī)續(xù)航駕駛模式，副驅(qū)動軸可提供額外扭矩，實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動能力和最佳加速性能。當(dāng)前市場上可以看到的配置基本分為 1)主驅(qū)動軸和輔驅(qū)動軸均采用了SiC功率器件; 2)主驅(qū)動軸采用高性能SiC 功率器件，而輔驅(qū)動軸則采用更具性價比的IGBT功率器件。這也是當(dāng)今電動汽車的典型配置，這些方案均是建立在逆變器中使用單一的功率器件，較難做到效率和成本之間的平衡。在評估上述方案的優(yōu)劣之前，我們需要先從電動汽車的駕駛工況來分析。真實(shí)的駕駛工況對牽引逆變器的需求是什么？
圖3 雙電驅(qū)電動汽車動力配置
標(biāo)準(zhǔn)駕駛工況WLTP 與峰值性能需求
全球輕型汽車測試程序（WLTP）的駕駛周期反映了接近真實(shí)的駕駛?cè)蝿?wù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化，它為電動車制造商和消費(fèi)者提供了比較不同車輛效率的參考值。
對于電動汽車來說，它以一定距離的能量消耗來表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加侖汽油當(dāng)量英里數(shù)"（MPGe）來表示，這一指標(biāo)也可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車進(jìn)行比較。
圖4 全球統(tǒng)一輕型汽車測試程序(WLTP)
代表典型的駕駛曲線
WLTP 駕駛循環(huán)（圖4）與其他任務(wù)剖面圖類似，由23.3 公里距離內(nèi)1800 秒的各種加速、減速和性能周期組成。鑒于駕駛方式的不同，對于WLTP 是否反映了真實(shí)世界的駕駛情況存在不同意見。但它適合作為評定汽車效率的依據(jù)。WLTP 任務(wù)描述允許電動車制造商計算特定車輛所需的電機(jī)性能及其關(guān)鍵參數(shù)，如重量、風(fēng)阻、駕駛效率、加速度和能量回收。
從上面的WLTP 典型的駕駛工況曲線來看，超過105km/h高速工況需求的時間占比大約只有10%左右，而大約3/4的時間內(nèi)車速需求是小于75km/h。
以一輛重1500 千克的汽車為例，計算出的數(shù)值繪制成直方圖（圖5）。該圖表顯示，電動車牽引逆變器的最大輸出功率需要約50 KW。這說明對于電動汽車的加速、達(dá)到峰值速度所需的實(shí)際功率是非常小的。在發(fā)電模式下（見圖5 中的紫色條），最大功率約為28 KW。
圖5 WLTP 周期內(nèi)牽引逆變器輸出功率
隨時間變化的情況
性能與成本
——Si還是SiC，主驅(qū)逆變器如何選擇？
我們知道，牽引逆變器對電動汽車的整體性能和效率起著決定性作用。更仔細(xì)地審視逆變器的設(shè)計，成本效益和合理的額定功率以及合理的效率水平是面向更廣泛市場的電動汽車取得成功的關(guān)鍵因素。在這個層面上，簡單地說，我們要評估的是整個驅(qū)動任務(wù)剖面的最低性能和所需的峰值性能。
這些分析將可以更好地讓我們理解哪種半導(dǎo)體技術(shù)（Si 或SiC）更適合。
在前面的例子中，80 KW的電機(jī)可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的WLTP 驅(qū)動循環(huán)，從而滿足大多數(shù)駕駛要求。如果使用碳化硅來提高汽車的額定功率，那么多余的功率在大多數(shù)情況下都會被"閑置"。但是在某些情況下，80 KW可能不足以實(shí)現(xiàn)"有趣動感"（運(yùn)動型）的駕駛體驗。因此，可以添加一些硅來提高車輛的峰值性能。例如，硅部件能夠額外提供160千瓦的功率。這將使汽車具有非常動感的駕駛加速性能。在另一方面，這些數(shù)值可以縮減到40 kW SiC 和80 kW Si，從而實(shí)現(xiàn)120kW 的入門級電動汽車功率。
至于如何在牽引逆變器內(nèi)分配Si 和SiC 芯片，取決于研發(fā)設(shè)計師。鑒于有多種選擇，深入研究一下電力傳動系統(tǒng)的配置是很有意義的。
圖6 適合不同需求的電力傳動系統(tǒng)的配置
對于動力傳動系統(tǒng)，尤其是牽引逆變器，不同的技術(shù)方案具有不同的效率、性能和成本優(yōu)勢，如下1~5配置。
單電驅(qū)，高性能和長續(xù)航要求---大功率碳化硅逆變器
單電驅(qū)，適當(dāng)調(diào)整車輛性能---小功率碳化硅逆變器
單電驅(qū)，成本優(yōu)化的解決方案---IGBT逆變器
雙電驅(qū)，高性能和長續(xù)航要求---SIC逆變器作為主驅(qū)續(xù)航，IGBT 逆變器作為輔驅(qū) 提供加速動力
新型電驅(qū)，成本優(yōu)化，高性能和長續(xù)航要求----單逆變器中融合SiC+IGBT，SiC維持高效率續(xù)航運(yùn)行，SiC+IGBT 提供峰值搞性能
雙電驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)眾所周知，下圖7 對此進(jìn)行了總結(jié)。其設(shè)計的初衷，SiC在中小功率等級使用時具有更低的損耗、更高的效率，而IGBT在大功率輸出時相對更有優(yōu)勢。為了充分發(fā)揮SiC和IGBT 各自的優(yōu)點(diǎn)，雙電驅(qū)可以采用不同半導(dǎo)體器件進(jìn)行搭配。
主驅(qū)使用SiC, 保持持續(xù)運(yùn)行且覆蓋90%以上的WLTP驅(qū)動周期。
輔驅(qū)采用IGBT，提供額外的扭矩，以提供4輪驅(qū)動能力和最大性能。
在這種配置（圖6中 配置2 + 配置3 的組合）中，使用了Si 和SiC 技術(shù)，但部署在不同的電驅(qū)上。
圖7 不同工況下的Si(IGBT) vs SiC 功耗性能對比
電動車系統(tǒng)的牽引逆變器中Si和SiC 布局
融合技術(shù)？ ——將Si和 SiC融合在同一個牽引逆變器
上個章節(jié)講到電動汽車的性能分配有多種選擇，最明顯的就是在主驅(qū)動橋和副驅(qū)動橋之間進(jìn)行分配。在我們的示例中（圖8），配置1 和2 在后軸或前軸上使用了全部的碳化硅。而配置3 和4 則使用了融合技術(shù)牽引逆變器。這些方案在效率和成本之間可以實(shí)現(xiàn)良好的平衡。在融合技術(shù)中，硅芯片和碳化硅芯片在同一牽引逆變器中并行運(yùn)行。為了理解為什么融合技術(shù)牽引逆變器的效率比其他配置更高，讓我們更深入地了解一下不同的驅(qū)動情況。
圖8 采用融合技術(shù)牽引變流器的四種示例配置，
可提高推進(jìn)和回收效率以及峰值性能
我們可以仔細(xì)觀察融合技術(shù)牽引逆變器內(nèi)部的能量流（圖9）。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載下，后軸上的SiC 用于加速，而前后軸上的SiC（66% 至33% 的份額）用于平穩(wěn)減速。這種負(fù)載情況與大多數(shù)駕駛條件和WLTP 測試條件相當(dāng)，加速和減速完全由SiC 和所需的電驅(qū)控制。當(dāng)功率需求達(dá)到更高峰值水平時，加速時需要使用額外的Si。由于Si在高負(fù)載時具有更高的效率，因此此處僅使用Si進(jìn)行能量回收。
總而言之：融合技術(shù)牽引逆變器最有效地利用了不同半導(dǎo)體功率器件的不同優(yōu)勢，從而可以為高效、經(jīng)濟(jì)的電動汽車做出了的貢獻(xiàn)。
圖9 SiC適配常規(guī)動力驅(qū)動/峰值性能啟用Si
不同的驅(qū)動控制策略實(shí)現(xiàn)融合技術(shù)
在牽引逆變器中的應(yīng)用
根據(jù)上述原理，這些技術(shù)可以通過不同的組合方式實(shí)現(xiàn)不同的目標(biāo)。那如何考慮其驅(qū)動策略？
在只使用一種半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)牽引逆變器中，由于只使用了Si 或SiC，因此不需要特別的驅(qū)動策略。但融合技術(shù)牽引逆變器采用了Si和SIC并聯(lián)運(yùn)行，因此也需要特殊的驅(qū)動控制策略。
下圖概述了融合技術(shù)牽引逆變器的不同運(yùn)行模式下， SiC 和Si 半導(dǎo)體的不同驅(qū)動運(yùn)行方式。
圖10 融合技術(shù)的不同驅(qū)動控制策略
（Ex2G、S1G、S2G、In2G）
獨(dú)立運(yùn)行（"Ex"）
第一種選擇是獨(dú)立運(yùn)行模式，即單一時刻只有一種半導(dǎo)體（Si或SiC）運(yùn)行。以上面的示例參考，SiC 專門用于所有低于 80 kW 的功率需求。如果車輛要求牽引逆變器提供超過 80 kW 的輸出功率，SiC MOSFET將被關(guān)閉，取而代之的是 Si IGBT運(yùn)行。示例中逆變器中的碳化硅部分對最大輸出功率沒有貢獻(xiàn)，這顯然是該方案的主要缺點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn) 獨(dú)立運(yùn)行"排他性操作"，則需要兩個柵極信號（"Ex2G"）來獨(dú)立控制兩種半導(dǎo)體器件。
并行控制（"S"）
在這里，Si和SiC總是并聯(lián)使用。這克服了獨(dú)立運(yùn)行模式的缺點(diǎn)。一個柵極信號用于在兩種技術(shù)之間切換。柵極路徑的調(diào)整對于匹配開啟和關(guān)閉行為以及實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)行為十分必要。必須通過設(shè)計和技術(shù)確保所有獨(dú)立開關(guān)之間的電流共享。然而，以Vds電壓低于0.7 V 為例，碳化硅區(qū)域?qū)鲗?dǎo)大部分電流，超過這一限制后，硅將增加其電流份額。通過設(shè)置芯片區(qū)域的尺寸，可以優(yōu)化這些值，以實(shí)現(xiàn)效率和驅(qū)動能力需求。
并行模式有兩種實(shí)施方案——單柵極方案（S1G）或雙柵極方案（S2G）。由于兩種半導(dǎo)體同時運(yùn)行，一個柵極驅(qū)動就足夠了。在調(diào)整技術(shù)時，設(shè)計人員可以自由選擇從微控制器發(fā)出一個PWM 信號，然后通過一個柵極驅(qū)動器和外部適配電路將PWM輸送到兩個柵極（S2G）；或者只使用一個柵極驅(qū)動器和一個柵極引腳（S1G），而在功率模塊中對驅(qū)動信號進(jìn)行獨(dú)立匹配。對于用戶來說，S1G 是一種相當(dāng)方便的解決方案，但與S2G 相比，改變參數(shù)的自由度較低。
單獨(dú)控制（"In"）
第三種方案需要獨(dú)立控制兩種半導(dǎo)體芯片。這需要為每組開關(guān)提供兩個PWM 信號。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是可對兩種開關(guān)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并可在控制策略內(nèi)在線自由調(diào)整PWM 模式。由于SiC的開關(guān)速度可能比Si快，因此可以調(diào)節(jié)不同的導(dǎo)通和關(guān)斷時刻，以優(yōu)化瞬態(tài)電流分擔(dān)，最大限度地減少每種半導(dǎo)體芯片的過載。根據(jù)使用情況，由此產(chǎn)生的操作可在獨(dú)占模式和同步模式之間無縫切換。在發(fā)生故障時，甚至可以實(shí)現(xiàn)一種"跛行回家"模式，即關(guān)閉一種半導(dǎo)體芯片的運(yùn)行，系統(tǒng)切換到剩余的半導(dǎo)體芯片運(yùn)行，做到"跛行回家"。
單獨(dú)控制模式需要兩個柵極（In2G），因此設(shè)置更為復(fù)雜，但另一方面，它充分利用了融合技術(shù)牽引逆變器的優(yōu)勢。它還提供了兩種技術(shù)之間的冗余（故障切換）。
不同的實(shí)施模式有何不同？
圖10 顯示了不同的融合技術(shù)牽引逆變器驅(qū)動策略的實(shí)現(xiàn)方法，使我們能夠識別和比較這些不同。圖11 總結(jié)了每種實(shí)施方法的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。如圖所示，每種控制策略在某些用例中都具有優(yōu)勢和缺點(diǎn)。合適的產(chǎn)品和工程能力往往決定了實(shí)施的可行性。基于這些邊界條件，不同的細(xì)分市場將可以采用不同的融合技術(shù)牽引逆變器控制策略。
單獨(dú)控制模式（In2G）是一個不錯的驅(qū)動策略，因為它具有充分的靈活性，為高度復(fù)雜的軟件策略打開了大門，可優(yōu)化不同半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)的電氣效率、BOM、成本和使用壽命等變量。這種模式甚至可以支持"故障運(yùn)行"功能。因此，融合技術(shù)牽引逆變器的優(yōu)勢不僅限于最初明顯的成本和材料可用性優(yōu)勢，還能為未來的新能源汽車提供新的技術(shù)方向。
Si和SiC融合技術(shù)將是一種非常有效的解決方案，可以瞄準(zhǔn)需要在效率、成本和可用性之間取得良好平衡的細(xì)分市場。
圖11 不同融合技術(shù)牽引逆變器實(shí)現(xiàn)總結(jié)與比較
英飛凌目前正在擴(kuò)大其產(chǎn)品組合，以充分發(fā)揮融合技術(shù)在逆變器應(yīng)用中的優(yōu)勢。從Si 和SiC 裸芯片到分立器件、功率模塊，再到支持兩種技術(shù)的混合模塊，英飛凌的產(chǎn)品范圍十分廣泛。
英飛凌第一款750V Si/SiC 混合功率模塊已經(jīng)面向市場推廣。英飛凌利用其最新Si和SiC芯片開關(guān)性能良好的匹配特性，第一款 混合功率模塊可以采用常規(guī)單通道驅(qū)動模式，不增加系統(tǒng)控制復(fù)雜性 同時電控系統(tǒng)的性能可以獲得提升。如下圖所示，根據(jù)仿真175KW 400V BEV 電驅(qū)平臺 采用英飛凌混合模塊對比采用純IGBT 模塊，WLTP工況駕駛里程可以提高2.9% 。
圖12 英飛凌混合模塊
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