高能效的主驅(qū)逆變器方案如何解決里程焦慮？

電動(dòng)汽車越來(lái)越受歡迎。如今電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)是，電機(jī)功率越來(lái)越大，但為了保證續(xù)航里程，行駛中的電耗也要越來(lái)越低。這看似不可能完成的任務(wù)，背后的最大功臣正是主驅(qū)逆變器。

因續(xù)航能力有限而導(dǎo)致的“里程焦慮”是許多消費(fèi)者采用電動(dòng)車的一個(gè)障礙。增加電池密度和提高能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率是延長(zhǎng)車輛續(xù)航能力以緩解這種焦慮的關(guān)鍵。能效至關(guān)重要的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是主驅(qū)逆變器，它將直流電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的交流驅(qū)動(dòng)，以為電機(jī)供電。

在這篇技術(shù)文章中，我們討論VE-Trac? IGBT和碳化硅(SiC)模塊如何賦能更高的電池密度并提供更高效的轉(zhuǎn)換過(guò)程，以延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)航能力，從而幫助克服消費(fèi)者的擔(dān)憂。

主驅(qū)逆變器是電動(dòng)車的核心，連接電池和主驅(qū)電機(jī)。它們將直流電池電壓轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的交流驅(qū)動(dòng)，功率水平通常為80千瓦至150多千瓦。電池電壓基于電池組的大小，通常在400 V直流電壓范圍內(nèi)，但800 V直流電壓正越來(lái)越普遍，以顯著減小電流，從而降低損耗。

雖然鋰離子(Li-Ion)電池成本在過(guò)去三年中降低了40%，或在過(guò)去十年中降低了90%，但它仍是電動(dòng)車中最高的成本項(xiàng)。降價(jià)的軌跡預(yù)計(jì)將持續(xù)到2025年左右，屆時(shí)價(jià)格將趨于穩(wěn)定。鑒于這項(xiàng)成本，當(dāng)務(wù)之急是盡可能有效地利用每一焦耳的存儲(chǔ)能量，以減小電池組的成本和尺寸。

這種電力驅(qū)動(dòng)提供極高的扭矩和加速度。逆變器和電動(dòng)馬達(dá)組合的反應(yīng)能力直接關(guān)系到車輛的“感知”，因而也關(guān)系到消費(fèi)者的駕駛體驗(yàn)和滿意度。

開關(guān)器件的作用

主驅(qū)逆變器通常含三個(gè)半橋元件，每個(gè)半橋元件由一對(duì)MOSFET或IGBT組成，稱為上橋和下橋開關(guān)。每個(gè)電機(jī)相位都有一個(gè)半橋，總共有三個(gè)，由柵極驅(qū)動(dòng)器控制每個(gè)開關(guān)器件。

圖1：主驅(qū)逆變器概覽

開關(guān)的主要作用是打開和關(guān)斷來(lái)自高壓電池的直流電壓和電流，為推動(dòng)車輛的電機(jī)提供交流驅(qū)動(dòng)。這是個(gè)要求很高的應(yīng)用，因?yàn)樗ぷ髟诟唠妷?、高電流和高工作溫度條件，而800 V電池可提供超過(guò)200千瓦的功率。

基于400 V電池系統(tǒng)的主驅(qū)逆變器要求功率半導(dǎo)體器件的VDS額定值在650 V至750 V之間，而800 V方案將VDS額定值要求提高到1200 V。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，這些功率器件還必須處理持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30秒(s)的超過(guò)600 A的峰值交流電流，以及持續(xù)約1毫秒(ms)的最大交流電流1600 A。

此外，開關(guān)晶體管和用于該器件的柵極驅(qū)動(dòng)器必須能夠處理這些大的負(fù)載，同時(shí)使主驅(qū)逆變器保持高能效。

IGBT一直是主驅(qū)逆變器應(yīng)用的首選器件，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砀唠妷?，快速開關(guān)，帶來(lái)高能效的工作，并滿足汽車行業(yè)具挑戰(zhàn)性的成本目標(biāo)。

開關(guān)和功率密度

現(xiàn)代汽車極為擁擠——至少含技術(shù)的空間是如此。這說(shuō)明功率密度是個(gè)重要參數(shù)，動(dòng)力總成的功率密度尤為重要。物理尺寸(和重量)必須最小化，因?yàn)槿魏沃亓慷紩?huì)導(dǎo)致車輛續(xù)航能力降低。

除了元器件的物理尺寸外，設(shè)計(jì)的能效也是主要的驅(qū)動(dòng)因素。能效越高，產(chǎn)生的熱量就越少，逆變器的結(jié)構(gòu)就越緊湊。

開關(guān)(無(wú)論是IGBT還是MOSFET)對(duì)產(chǎn)生熱量的損耗有最重要的影響。較低的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))值可減少靜態(tài)損耗，而柵極電荷(Qg)的改進(jìn)可減少動(dòng)態(tài)或開關(guān)損耗，使系統(tǒng)的開關(guān)速度加快。如果開關(guān)速度更快，那么就可以大大減小磁鐵等無(wú)源元件的尺寸，從而提高功率密度。

開關(guān)的最高工作溫度也會(huì)影響功率密度，因?yàn)槿绻骷茉诟叩臏囟认鹿ぷ?，需要的冷卻就更少，從而進(jìn)一步減少設(shè)計(jì)的尺寸和重量。

模塊化方案增加功率密度

在許多主驅(qū)逆變器的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵器件通常是單獨(dú)的分立封裝，雖然這是個(gè)非常有效的方法，但它不一定能提供最緊湊或最高功率密度的設(shè)計(jì)。

另一種方法是使用預(yù)配置的模塊來(lái)構(gòu)成主驅(qū)逆變器所需的半橋。安森美(onsemi)的VE-Trac功率集成模塊(PIM)就是這樣一種方案，它專用于汽車功能電子化應(yīng)用，包括逆變器。

VE-Trac Dual電源模塊在一個(gè)半橋架構(gòu)中集成了一對(duì)1200 V超場(chǎng)截止(UFS)IGBT。這些器件采用了穩(wěn)定可靠且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的溝槽(Trench) UFS IGBT技術(shù)，提供高電流密度、穩(wěn)定可靠的短路保護(hù)以及800 V電池應(yīng)用所需的更高阻斷電壓。該智能IGBT集成了電流和溫度傳感器，使其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)過(guò)電流(OCP)和過(guò)溫度等保護(hù)功能提供更快的反應(yīng)時(shí)間，從而提供一個(gè)更穩(wěn)定可靠的方案。

這些芯片被封裝好，安裝在具有4.2 kV(基本)絕緣能力的Al2O3覆銅基板(DBC substrate)，兩側(cè)都有銅和冷卻性能。沒有線邦定的模塊比含有線邦定的類似外殼模塊預(yù)期壽命增加一倍。將該IGBT和一個(gè)二極管共同封裝，可以減少功率損耗和實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，從而提高整體能效。

VE-Trac Dual模塊將裸芯片封裝在一個(gè)小巧的尺寸中，更易于集成到緊湊的設(shè)計(jì)中。高效的工作、低損耗和雙面水冷確保輕松實(shí)現(xiàn)熱管理，同時(shí)持續(xù)工作在175°C允許向牽引電機(jī)提供更高的峰值功率。

主驅(qū)逆變器的每一相通常需要一個(gè)VE-Trac Dual模塊，其機(jī)械設(shè)計(jì)本身可用于多相應(yīng)用，提供簡(jiǎn)單的可擴(kuò)展性，包括將模塊并聯(lián)以在每個(gè)單相提供更多的功率。

雖然基于IGBT的VE-Trac模塊足以滿足大多數(shù)汽車應(yīng)用的要求，但基于SiC MOSFET的增強(qiáng)版也可用于最高要求的應(yīng)用。這款產(chǎn)品采用了最新的寬禁帶(WBG)技術(shù)，進(jìn)一步減小主驅(qū)逆變器設(shè)計(jì)的尺寸并提高能效。

總結(jié)

讓電動(dòng)車在兩次充電之間行駛得更遠(yuǎn)是我們當(dāng)前的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。由于政府要求，且人們期望改善環(huán)境，這些車輛將在未來(lái)幾年內(nèi)被迅速采用。

如果減輕消費(fèi)者的“續(xù)航里程焦慮”，電動(dòng)車會(huì)更有吸引力，那么采用的速度會(huì)更快。實(shí)現(xiàn)這的最佳途徑是提高能效，這不僅延長(zhǎng)續(xù)航里程，還增加功率密度和提升可靠性。

半導(dǎo)體開關(guān)是實(shí)現(xiàn)高能效的關(guān)鍵，雖然分立器件具有出色的性能，但最好的方案是專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)的PIM，如安森美的VE-Trac模塊。這些基于IGBT的設(shè)計(jì)提供所需的高能效、高性能和可擴(kuò)展性，外形小巧，簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)。