以碳化硅技術(shù)牽引逆變器 延展電動車行駛里程

目前影響著車輛運輸和半導(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)動我們的汽車，同時重新設(shè)計支撐電動車（EV）子系統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，大幅提升功效比，進而增加電動車的行駛里程。

政府監(jiān)管機構(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)行為給予嚴厲的處罰，同時開始沿著道路和停車區(qū)域增設(shè)電動車充電基礎(chǔ)設(shè)施。但是，盡管取得了這些進展，主流消費者仍然對電動車的行駛里程存有疑慮，使電動車的推廣受到阻力。

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

幸運的是，同時期的半導(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)，使得消費者對電動車行駛里程的期望與OEM在成本架構(gòu)下可真正實現(xiàn)里程之間的差距得以縮小。

Wolfspeed公司功率平臺經(jīng)理Anuj Narain表示：「相較于現(xiàn)有的硅基技術(shù)，SiC MOSFET被廣泛認為可以為標準電動車的駕駛周期增加5%至10%的續(xù)航里程?！挂虼?，它們是電動車傳動系統(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行適當開發(fā)，其能效提升將代表著消費者對電動車領(lǐng)域信心大幅增加，并有助于加速電動車的普及。

 
圖一 : 電動車中的功率轉(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)動馬達，驅(qū)動汽車前進。

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時縮小3倍，如果配合使用直流環(huán)節(jié)薄膜電容，則能進一步減小尺寸和節(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)成本在組件級別和系統(tǒng)級別都更具有優(yōu)勢。

 
圖二 : 電池至馬達訊號鏈。為了增加行駛里程，每個模塊都應(yīng)設(shè)計為可提供最高能效。

在同時考慮行駛里程和成本因素時，仍然需要以牽引逆變器為焦點不斷創(chuàng)新，目的在進一步提升電動車的效率和行駛里程。作為牽引逆變器中價格最昂貴、功能最重要的組件，SiC功率開關(guān)需要接受精準控制，以充分發(fā)揮額外的開關(guān)成本的價值。

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

事實上，SiC開關(guān)的所有固有優(yōu)勢都會被共模噪聲干擾，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3端組件，但必須小心連接至系統(tǒng)。

閘極驅(qū)動器的作用
隔離式閘極驅(qū)動器的作用關(guān)系到功率開關(guān)的最佳開關(guān)點，確保透過隔離閘實現(xiàn)短而準確的傳播延遲，同時提供系統(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/開關(guān)功能。

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

但是，SiC開關(guān)導(dǎo)致的高擺率瞬態(tài)會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格的熱封裝，短路是基于SiC的電源開關(guān)的另一個主要挑戰(zhàn)。閘極驅(qū)動器為電動車傳動系統(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。

在Wolfspeed等先進SiC MOSFET功率開關(guān)供貨商的實際測試中，高性能閘極驅(qū)動器已證實了自身的價值。對于關(guān)鍵參數(shù)性能，例如短路檢測時間和總故障清除時間，可分別低至300 ns和800 ns。為了提升安全性和保護等級，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車的行駛里程。驅(qū)動能力更高時，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，而且無需為每個閘極驅(qū)動器分配外部緩沖器，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)速度來實現(xiàn)卓越的效率，甚至需要分級開關(guān)，研究顯示以上可以進一步提升效率。ADI提供可調(diào)壓擺率，允許用戶進行此操作，去除外部緩沖器則進一步減少了阻礙。

系統(tǒng)要素
需要注意的是，閘極驅(qū)動器和SiC開關(guān)解決方案的綜合價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)驗和系統(tǒng)級的性能優(yōu)化方法，將可涵蓋多種設(shè)計考慮。

從整體角度來看，電動車顯露了優(yōu)化傳動系統(tǒng)功率效率的額外機會，這對于在確保安全可靠運行的同時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車設(shè)計人員而言極為重要。涉及到開關(guān)多個電源時，電磁干擾是一個非常關(guān)鍵的痛點，如果EMC性能卓越，則極有助于減少測試周期和降低設(shè)計復(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)，會發(fā)現(xiàn)電磁感測技術(shù)的進步推動產(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力電動車中布署15到30個電流傳感器，并采用旋轉(zhuǎn)和位置傳感器來監(jiān)測牽引馬達。在干擾電磁場下的精度和可靠性是跨電動車功率系統(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，從整體來看電動車傳動系統(tǒng)的所有組件，ADI發(fā)現(xiàn)了無數(shù)改善電動車的機會，可以提升其整體能效，還能增加電動車行駛里程。隨著SiC功率開關(guān)技術(shù)滲透到電動車牽引逆變器中，數(shù)字隔離已成為其中一個重要的組成部分。

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，它們可以協(xié)助消除主流消費者購買電動車的最后一個障礙，即行駛里程和成本，同時協(xié)助打造更環(huán)保的未來。

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