碳化硅：成功的纯电动汽车动力总成的基础

电动汽车动力总成

我们向全电动交通的驱动力得益于强大、轻便和高效的电池供电电动汽车 （BEV） 动力系统。动力总成（图1）包括：

带有AC/DC转换器的车载充电器，可将电网电源转换为DC中间电压，以及DC/DC模块，可将DC转换为电池快速充电所需的电压。充电器还将再生制动收集的能量引导至电池。理想情况下，它应该是双向的，以允许它利用未来的智能电网，并根据需要将能量输送回电网或家庭。

电池组。

逆变器，它是为电机供电的传动系统的一部分，通常是永磁同步电机（PMSM）或感应电机。

BEV市场的成功取决于汽车制造商解决客户的“里程焦虑”。为了增加BEV的续航里程或两次充电之间的距离，汽车制造商可以增加电池尺寸，提高系统效率，减轻重量，或实施所有这些选项的组合。

然而，额外的电池容量会增加BEV的重量和成本。因此，减轻动力总成系统的重量并提高其效率可以进一步增加BEV的续航里程或控制成本。

这方面的关键使能技术是碳化硅（SiC）。与传统的硅 （Si） 技术相比，SiC 器件提供：

导通态压降比硅低 2× 至 3×

在关断状态下的给定温度下，漏电流低于Si

切换期间的边沿速率更高，因为是多数载波器件

击穿场比 Si 高 10×，允许 SiC 器件在同一封装中承受更高的电压

更高的导热性可在更高的芯片温度下安全运行

减重

将动力总成部件保持在安全工作温度范围内所需的冷却系统大大增加了BEV必须始终行驶的重量。碳化硅的高导热性有助于更快地带走热量，而SiC器件在较高温度下工作的能力减轻了热解决方案的压力。

碳化硅器件的工作开关频率比硅器件高 100× 至 1，000×。这减小了转换器所需的磁性元件的尺寸，从而进一步减小了系统尺寸和重量。

例如，BEV的硅基传动系统可能超过15公斤。众所周知，基于SiC的高性能逆变器可减轻6公斤的重量和43%的体积。四

提高效率

碳化硅更高的开关频率和更低的固有损耗提高了系统效率。在双向板载充电器中，SiC 支持使用图腾柱 PFC 拓扑，与基于 Si 的器件相比，该拓扑结构非常高效且具有成本效益。DC/DC 侧将开关频率纳入 150kHz 至 300kHz 范围，比基于 Si 的电路快 3×。

这种 6.6 kW 充电器的参考设计使用 16 个 SiC MOSFET，例如 Wolfspeed 最新的碳化硅系列，以实现超过 96% 的峰值效率。5

革新逆变器设计

传动系统是一项具有挑战性的应用，因为它处理的功率范围从 90 kW 到 350 kW 以上，并且没有行业标准。然而，SiC的高效率、更小尺寸和更轻重量的优点可以扩展到BEV传动系统中的逆变器，这已经通过测试得到了很好的证明。

根据德尔福对基于SiC和IGBT的30 kW逆变器的基准比较，碳化硅技术可将系统尺寸缩小多达80%，损耗降低多达200%，并降低系统成本。6 由于BEV在道路上的大部分时间都不是在最佳满载条件下行驶的，因此损失的减少进一步增加了续航里程的重要性。

在 300 kW 的更高功率下进行的另一项比较表明，CRD300DA12E-XM3 基于 SiC 的逆变器仅重 6.2 kg，而 14.06 kg Si 基设计，并且提供 32.25 kW/L 的体积功率密度，而 Si 的 3.2 kW/L.7

然而，革命超越了功率密度。碳化硅具有更快的开关速度、更低的死区时间以及更小的压降和输出电容，从而降低了相电压失真和带宽。除了逆变器级优势外，基于SiC MOSFET的设计还会影响电机驱动系统的动态性能特性，例如提供更快的响应，以及与基于硅的实现方案相比，具有更高的相对稳定性和鲁棒性。8

助力纯电动汽车市场

毫不奇怪，功率SiC市场继续增长，预计到3年将超过2025亿美元大关，同比增长率高于13%，主要由电动汽车市场推动。9

从快速充电的车载外基础设施到BEV动力总成，SiC技术正在迅速证明自己不仅是革命性的，而且是基础性的，因为它帮助汽车制造商最终解决了消费者的里程焦虑。

审核编辑：郭婷