实现牵引逆变器中碳化硅的电动汽车续航里程扩展承诺

目前有两个主要中断影响车辆的未来 运输和半导体技术。我们正在拥抱一个新的和令人兴奋的 用电力清洁地推动我们的车辆，同时 重新设计支撑电动汽车 （EV） 的半导体材料 子系统可最大限度地提高功率效率，进而提高电动汽车行驶里程。

政府监管机构继续要求汽车原始设备制造商减少 整体一氧化碳2其车队的排放，并受到严厉处罚 不合规，电动汽车充电基础设施开始激增 沿着我们的道路和停车区。然而，对于所有这些进步， 主流消费者对电动汽车的采用仍然受到挥之不去的阻碍 担心电动汽车续航里程限制。

更复杂的是，更大的电动汽车电池尺寸可以延长电动汽车的续航里程 并中和消费者的里程焦虑，同时增加电动汽车 价格——电池占最终车辆成本的25%以上。

幸运的是，同时发生的半导体革命产生了新的 宽带隙器件，例如碳化硅 （SiC） MOSFET 功率开关 有助于缩小消费者对电动汽车续航里程的期望与原始设备制造商之间的差距 能够以具有竞争力的成本结构满足它们。

根据SiC领导者之一的电源平台经理Anuj Narain的说法。 功率器件，Wolfspeed，“SiC MOSFET，就其自身的优点而言，被广泛期待 为标准 EV 驾驶循环增加 5% 到 10% 的续航里程，作为 与现有的硅基技术相比。正因为如此，他们是一个 电动汽车传动系统中下一代牵引逆变器的重要组成部分。如果 与支持组件一起正确利用，其功率效率增益可以 代表了在建立消费者对电动汽车系列的信心方面向前迈出的一大步，并且 帮助加速电动汽车的采用。

图1.电动汽车中的功率转换元件。牵引逆变器将高压电池的直流电压转换为交流波形以驱动电机，进而推动汽车。

充分利用碳化硅技术

基于 SiC 的功率开关在功率密度方面的固有优势 和效率是众所周知的，对系统冷却具有关键意义 和大小。向 SiC 的演进有望在 800 V/250 kW 下提供 3× 个更小的逆变器， 在配套直流链路薄膜上具有额外的显着尺寸和成本节省 电容器。与传统硅相比，SiC电源开关可以实现 更好的续航里程和/或更少的电池组，为开关提供有利的成本 从设备级别到系统级别的比较。

图2.电池到电机信号链。为了实现范围扩展，每个模块都应设计为最高效率水平。

在这些范围和成本考虑的交叉点上，牵引逆变器 仍然是旨在进一步释放电动汽车效率的创新中心 和范围增益。作为最昂贵和功能上最重要的元素 牵引逆变器中，需要非常精确地控制SiC功率开关 以实现额外交换机成本的全部优势。

图3.开启（左）和关闭（右）时的电压和电流波形。在碳化硅环境中，dv/dt 将超过 10 V/ns，这意味着切换 800 V DC 电压不超过 80 ns。以类似的方式，可以观察到 10 A/ns，即 80 ns 中的 800 A，di/dt 类型。

事实上，SiC开关的所有内在优势都将被 共模噪声扰动，以及极高的破坏性 由于超快电压和电流瞬变（DV/DT 和 DI/DT）在管理不善的电源开关环境中生成。宽 说起来，SiC开关的功能相对简单，尽管底层 技术 - 它只是一个 3 终端设备 - 但它必须仔细连接到 系统。

进入栅极驱动器

隔离式栅极驱动器将负责设置最佳开关最佳点， 确保通过隔离栅的短而准确的传播延迟， 同时提供系统和安全隔离，控制电源开关过热，检测和防止短路，并促进插入 ASIL D 系统中的子块驱动/开关功能。

图4.隔离式栅极驱动器桥接信号世界（控制单元）和电源世界（SiC 开关）。除隔离和信号缓冲外，驱动器还执行遥测、保护和诊断功能，使其成为信号链的关键元件。

SiC开关引入的高压摆率瞬变可能会损坏数据 然而，跨越隔离栅的传输，因此测量和了解对这些瞬变的敏感性至关重要。我ADI专有的耦合器 该技术已显示出领先的共模瞬变抗扰度 （CMTI） 测量性能高达 200 V/ns 及更高。这释放了全部潜力 安全操作下的碳化硅开关时间。®

图5.20多年来，ADI凭借i耦合器数字隔离IC引领数字隔离技术的进步。该技术由具有厚聚酰亚胺绝缘的变压器组成。数字隔离器采用晶圆代工CMOS工艺。变压器是差分的，具有出色的共模瞬态抗扰度。

短路是基于SiC的电源开关面临的另一个主要挑战，因为 更小的芯片尺寸和严格的热包络。栅极驱动器提供 短路保护对电动汽车动力总成的可靠性、安全性和寿命至关重要 周期优化。

高性能栅极驱动器已在实际测试中证明了其价值 与领先的碳化硅MOSFET功率开关供应商合作，如Wolfspeed。跨键 参数，包括短路检测时间和总故障清除 时间、性能可分别低至 300 ns 和 800 ns。为 额外的安全和保护，测试结果证明可调 软关断功能对于系统平稳运行至关重要。

开关能量和电磁兼容性 （EMC） 同样可以是 最大化以提高功率性能和 EV 续航里程。更高的驱动能力 允许用户具有更快的边沿速率，从而降低开关损耗。 这不仅有助于提高效率，还可以节省电路板空间和成本 通过消除为每个栅极驱动器分配的外部缓冲器的需求，实现节约成本。 相反，在某些情况下，系统可能需要更慢地切换 达到最佳效率，甚至分阶段，研究表明可以 进一步提高效率。ADI提供可调压摆率，允许用户 为此，移除外部缓冲器消除了进一步的障碍。

系统中的元素

需要注意的是，栅极的综合价值和性能 驱动器和 SiC 开关解决方案可以通过妥协和/ 或周围组件效率低下。ADI在电力和领域的传统 传感和我们的系统级性能优化方法包括 广泛的设计考虑因素。

电动汽车的整体视图揭示了优化驾驶的其他机会 列车功率效率，这对于利用最大可用值至关重要 电池容量，同时确保安全可靠的运行。质量 BMS直接影响电动汽车每次充电的里程数，最大限度地延长电池的整体使用寿命，从而降低总拥有成本（TCO）。

在电源管理方面，能够在不影响 BOM 成本或 PCB 的情况下克服复杂的电磁干扰 （EMI） 挑战 足迹 — 变得至关重要。电源效率、热性能和 封装仍然是电源层的关键考虑因素，无论 该层是用于隔离式栅极驱动器电源电路还是辅助高电平 电压到低压直流-直流电路。在所有情况下，中和EMI的能力 对于电动汽车设计师来说，问题更为重要。EMC 是一个关键的难点 在切换多个电源时，卓越的EMC可以发挥 在缩短测试周期和降低设计复杂性方面还有很长的路要走， 从而加快上市时间。

更深入地了解支持组件的生态系统，在 磁性传感催生了新一代非接触式电流传感器 无功率损耗，带宽高，精度高，精度高 以及用于轴端和轴外配置的坚固位置传感器。那里 是 15 到 30 个电流传感器，旨在部署在典型 插电式混合动力电动汽车，1带旋转和位置传感器监控牵引电机 功能。对杂散场的检测精度和鲁棒性是衡量和保持电动汽车电源子系统效率的关键属性。

端到端效率

全面审视电动汽车动力传动系中的所有元素——从电池到 牵引逆变器到支持组件及其他组件——ADI公司看到无数 有机会以提高整体能效的方式改善电动汽车 并延长电动汽车续航里程。数字隔离是众多重要因素之一 SiC功率开关技术渗透到EV中的部分 牵引逆变器。

同样，汽车原始设备制造商可以利用多学科方法进行电动汽车优化，以帮助确保所有可用的电源监测和控制设备 正在密切配合，以实现最佳性能和效率。挨次 他们可以帮助克服主流消费者最后剩下的障碍 电动汽车的采用——车辆行驶里程和成本——同时有助于确保更环保 所有人的未来。

审核编辑：郭婷