再生电源能效正在成为真正的差异化因素

电动汽车背后的势头已经达到了拐点，很难想象电动汽车在我们的道路上不是一个重要存在的未来。这改变了很多，不仅仅是我们的购买偏好和驾驶习惯，还有我们对移动性的思考方式。

想象一下亨利·福特之前的世界。加油的地方本来就很少，早期采用者通常会携带绑在车外的油罐。范围焦虑并不是什么新鲜事。然而，很少考虑为由内燃机驱动的车辆加油需要多长时间。毕竟，它总是比喂马和浇水更快。事实上，这可能是拥有汽车的主要吸引力之一;事实上，它需要的考虑要少得多。机械取代了稳定的指针，真正的拥有成本最终会变得显而易见，但车轮已经转动。

在这种情况下，转动车轮不仅仅是一个隐喻，因为最终这就是它的全部意义所在。向电动汽车的转变意味着这些车轮现在通过电动机而不是往复式发动机转动，但目标是相同的。然而，有一件事明显不同，那就是能量的交换方式。使用内燃机，化学能（燃料）转化为动能（运动），随后转化为所有能量，热量的熵状态，以换取运动。

对于电动汽车，这个过程还有另一个阶段来捕获未使用的动能。这被称为再生制动，但它的真正含义是利用车辆的动力来转动电动机，而不是相反。这会将电机变成发电机，产生的电力被反馈到电池中。这扩展了EV的续航里程，但延长了多少在很大程度上取决于再生阶段的效率。

电机/发电机已经过优化，可在电机和发电机模式下实现高效。另一个关键阶段是逆变器。这是将来自电池的高压转换为交流电（AC）以驱动电机的电路。交流波形的幅度和频率将决定旋转速度。通常，牵引电机是三相的，因此逆变器需要从直流电池电压产生三个交流周期。这可以将多达 800 V DC 转换为大约 180 kW AC，因此此阶段的效率对于汽车制造商提供的整体性能和续航里程至关重要。

毫不奇怪，这是大部分设计工作的重点。使逆变器尽可能高效意味着使用损耗最小的组件。直到最近，IGBT还具有导通损耗优势，但代价是关断开关损耗明显更高。由于典型的电机驱动开关频率相对较低，这是一个很好的折衷方案，特别是考虑到IGBT的低成本。碳化硅（SiC）FET在这一应用领域中一直在稳步取代IGBT，因为它们具有较低的开关损耗和传导损耗。这有两个原因。首先，如前所述，由于双极性电流捕获电荷，IGBT的关断速度较慢。另一方面，SiC FET具有快速的导通和关断开关速度，因为只有电子流动，因此开关损耗较低。更重要的是，在正向导通或反向导通期间，IGBT在其电流路径中始终有一个PN结，分别来自IGBT本身或其反并联二极管。由于SiC材料的电阻较低，并且消除了PN结压降，因此SiC FET在所有电流水平下都具有较低的传导损耗，但在EV最常运行的低功耗下具有显着优势。SiC FET 不需要反并联二极管，因此没有正向或反向电流的“拐点”电压（开关死区时间后）。

工作模式与功率因数 （PF） 相关。如果PF为正，则电路处于逆变器模式，从电池获取能量以驱动电机。如果PF为负，则电路作为整流器工作，将能量回馈电池。理想情况下，PF尽可能接近+1或-1，以最大限度地提高效率。

更改PF会突出显示所用FET的损耗。这里的关键指标是正向和反向传导损耗，以及导通和关断开关损耗。它们加在一起，得到每个FET的总损耗。在逆变器或整流模式下，大部分传导损耗分别来自正向或反向电流。请注意，正向电流流向漏极至源极（或IGBT的集电极至发射极）。用于电机驱动的IGBT仅在正向方向上导通，因此它需要一个反并联二极管来反向流动。这意味着导通损耗以及IGBT和二极管加热因电流方向而异。另一方面，SiC FET以相同的传导损耗（死区时间后）传导正向和反向电流，并通过相同的芯片，因此芯片利用率更好，功率密度可以更高。

在逆变器和整流器模式下设计高效率时，要检查的指标之一是反向恢复电荷以及每个FET的导通开关损耗。例如，如果半桥中的底部FET在上半部分有反向电流流动后导通，则顶部将经历反向恢复。这会导致一些残余电流流入半桥的底部FET，从而增加其导通开关损耗。因此，反向恢复电荷是一个关键的FET参数。事实上，正是由于SiC器件的反向恢复电荷如此之低，SiC器件代替IGBT通常可提供几个百分点的效率提升。这转化为续航里程或车辆成本方面的实际收益。

UnitedSiC已经进行了多项实验，以比较其SiC FET与这些应用中的IGBT。它还可以共享设计工具，让工程师能够快速仿真其零件在不同工作条件下的性能，例如PF、电池电压、相数和电机输出功率。

有一件事似乎是肯定的，再生断裂与最终客户越来越相关，效率水平值得在设计阶段仔细考虑。

审核编辑：郭婷