EV 动力总成系统利用 WBG 器件提高能效

汽车行业对提高燃油效率和减少 CO 2排放的双重追求为支持这些平台的传感器系统、电池管理系统和发动机的所有其他部件带来了许多技术问题。电动汽车 (EV) 正受益于技术进步，这些进步带来了更低的价格，同时还提供了许多消费者想要的更高的续航里程。市场受到更高容量电池、更高效电动机和用于整个动力系统的创新宽带隙 (WBG) 半导体解决方案的混合驱动。氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等 WBG 材料具有卓越的固有特性，可提供各种系统级优势以提高性能。

电动汽车的动力总成系统涉及多种解决方案，从车载充电器到电池及其管理系统。今天的电池驱动了整体成本，这主要取决于每个电池的成本及其机械保护外壳。电池的大小是电池寿命和成本之间的折衷：更多的电池意味着更多的自主权，但同时也更昂贵。

电池、DC/DC 转换器、车载充电器和牵引逆变器都包含在混合动力和电动动力系统的不同外壳中。设计人员现在可以利用单个域控制器和功率级来集成这些系统。这有助于他们提高效率和可靠性，同时降低成本并满足功能安全标准。

用于电动汽车的 WBG 半导体

电动汽车和混合动力电动汽车 (HEV) 的制造商正在为多个动力总成阶段寻找高效的动力转换解决方案。WBG 半导体在几个方面提供了优于硅的性能优势：更高的效率和开关频率，以及承受更高工作温度和电压的能力。

GaN 的带隙为 3.2 电子伏特 (eV)，约为硅的 1.1 eV 的 3 倍。这表明在半导体的导电带中激发一个价电子需要更多的能量。尽管这一特性限制了 GaN 在超低电压应用中的适用性，但它确实允许更高的击穿电压和更高温度下的热稳定性。

因为需要更多的能量来激发半导体导电带中的价电子，所以可以实现更高的击穿电压、更高的效率和更好的高温热稳定性。碳化硅 MOSFET 的主要优点是低漏源导通电阻 (R DS(on) )，在相同击穿电压下比硅器件低 300 倍至 400 倍。

更小的电路和更轻的重量，以及改进的重量分布和更低的总功耗，都是在逆变器中采用 SiC 技术的优势。这是因为 SiC MOSFET 可以在更高的开关频率下工作，从而使逆变器的许多电路组件变得更小。与传统的硅功率半导体相比，SiC 器件还可以在更高的电压和电流下工作，从而提高功率密度并降低开关损耗，即使在高温下也是如此。

GaN 和 SiC 解决方案

为了使 EV 能够更快地充电，汽车电力电子设计人员需要 GaN 和 SiC 器件以及能够满足 EV 效率和功率密度要求的新动力总成架构。为了在给定电池容量的情况下获得最大的充电续航里程，整个电源转换链必须达到可能的最大效率。电池必须具有非常高的能量存储密度。电动汽车的电池寿命直接反映了其动力总成系统的效率。

GaN 是制造高效电压转换器、功率 MOSFET 和肖特基二极管的硅的有吸引力的替代品，因为它显着提高了功率转换级的效率。与硅相比，GaN 提供了重要的改进，例如更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。

GaN 和 SiC 都具有大的带隙。虽然这些材料都很好用，但它们的特性、应用和栅极驱动要求都是独一无二的。在大功率和超高压（650 V 以上）应用中，SiC 晶体管可能会与 IGBT 晶体管竞争。在电压高达 650 V 的电源应用中，GaN 可能会与当前的 MOSFET 和超结 MOSFET 竞争。

图 1：硅和 WBG 功率半导体应用的系统功率水平作为工作频率的函数。。（来源：意法半导体）

电动汽车中的牵引逆变器需要具有数百安培电流能力的电源开关来支持数百千瓦的功率。这些系统更适合 IGBT 或 SiC MOSFET。另一方面，额定功率高达 25 kW 的车载充电器和 HV-to-LV DC/DC 转换器非常适合 GaN。

SiC 1,700-V 技术是硅 IGBT 的替代品。SiC 技术在降低系统尺寸和重量的同时提供更高的开关频率，而由于开关频率限制以避免额外的损耗，硅会在电路拓扑结构中做出妥协。SiC 的物理特性为大功率电子设备提供了理想的物理结构，从而改善了重量和形状方面的形状因数，这对于汽车应用至关重要。

Microchip Technology Inc. 的全新SiC 产品线MSC035SMA170B 系列通过使用具有更少组件和更简单控制方法的两级拓扑，解决了 IGBT 的挑战。由于没有开关限制，电源转换设备可能更小更轻，从而可以安装更多充电站，并扩大重型卡车、电动巴士和其他电池供电商用车辆的续航里程和运行时间。

Microchip 强调了新产品组合的主要特性：稳定的阈值电压、无退化的体二极管、最小的 R DS(on)过温增加、无与伦比的雪崩耐用性以及类似于 IGBT 的短路耐受时间。

图 2：Microchip Technology 的 SiC 电源解决方案。。（来源：微芯科技）

GaN 是一种用途极其广泛的半导体材料，可以在高温和高压下工作，有助于有效满足各种通信和工业设计的要求。电动汽车领域的挑战之一是快速高效充电的发展。GaN 技术可以提供快速充电，以更有效的方式使用能源。

一个例子是德州仪器公司的GaN FET 解决方案，该解决方案具有集成的栅极驱动器，可将功率密度翻倍，同时将尺寸减小约 60%，并实现高达 2.2 MHz 的开关速率。这些 GaN FET 不仅具有集成的栅极驱动器，而且还具有温度传感器，允许有源电源管理以动态优化系统的热性能。

由于不同的制造技术，“标准”FET 及其栅极驱动器在大规模电源系统中独立使用。这会添加到寄生电感中，从而降低 GaN 的开关能力。开关损耗因共源电感而大大增加。

公式 E 要求

电动方程式是唯一一项测试下一代电动汽车最新技术的赛车赛事。电动方程式赛车的核心是它的动力单元，即推进系统，它由三个元件组成：电池、逆变器和电机。逆变器是系统的大脑。它负责将来自电池的直流电转换成高密度的交流电，然后发送到发动机。然而，在减速过程中，再生电机制动被激活，电流沿反向路径流动。

功率密度（或每单位表面的电流）、重量功率比和即时全功率可用性都是公式 E 的强制性要求。一个优点是逆变器的设计具有更大的灵活性，因为体积小–生产要求和更手动的逆变器组装过程。

此外，冷却液的选择和冷却特性可以更自由地选择，冷却系统的允许压降更高。

与许多其他应用一样，Formula E 硅 IGBT 模块已逐渐被 SiC MOSFET 器件取代，这是一种很有前途的替代技术。由于重量轻和效率提高是关键因素，Formula E 可以受益于逆变器设计中 SiC MOSFET 的低损耗。

例如，Hitachi ABB Power Grids 的RoadPak 1.2-kV SiC MOSFET 半桥模块（如图 3 所示）具有小尺寸 (<70 × 75 mm) 和具有低损耗和高可靠性的最新一代 SiC MOSFET满足电动汽车市场日益增长的需求。

图 3：日立 ABB 电网 RoadPak 1.2kV SiC MOSFET 半桥模块（来源：日立 ABB 电网）

EV 市场的 RoadPak 基线设计基于 8 个并行 SiC 芯片，可在不改变外形的情况下增加到 10 个。这是最实用的解决方案，因为制造中的良率挑战限制了增加单个 SiC 芯片的活性表面。目前市场上的 SiC MOSFET 的有源面积小于 30 mm 2。

Formula E 正在突破电力电子技术的极限，带来一系列新的 SiC 解决方案。通过提供更简单的冷却系统、更长的续航里程和更好的性能，电动汽车将受益于新的 SiC 电源解决方案。它们还将延长 EV 的电池寿命，并且通过改进的车载充电器和 DC/DC 转换器使电池充电速度更快。

芯片公司和 Formula E 之间的众多合作伙伴关系将使电动汽车受益于众多工程解决方案，不仅来自 SiC 芯片制造商，而且来自 GaN 芯片制造商。

审核编辑 黄昊宇