SiC主@@驱逆变器@@让电动汽车@@延长@@5%里程的@@秘诀@@

本文作者@@：安森美@@汽车主@@驱解决方案高级产品线经理@@ Jonathan Liao

不断增长的@@消费需求@@、持续提高@@的@@环保意识@@/环境法规约束@@，以及越来越丰富的@@可选方案@@，都在推动着人们选用电动汽车@@@@ (EV)，令电动汽车@@日益普及@@。高盛近期的@@一项研究显示@@，到@@ 2023 年@@，电动汽车@@销量将占全球汽车销量的@@@@ 10%；到@@ 2030 年@@，预计将增长至@@ 30%；到@@ 2035 年@@，电动汽车@@销量将有可能占全球汽车销量的@@一半@@。然而@@@@，“里程焦虑@@”，也就是担心充一次电后行驶里程不够长@@，则是影响电动汽车@@普及的@@主@@要障碍之一@@。克服这一问题的@@关键是在不显著增加成本的@@情况下延长车辆行驶里程@@。本文阐述了如何在主@@驱逆变器@@中使用@@碳化硅@@@@ (SiC) 金属氧化物半导体场效应晶体管@@ (MOSFET) 将电动汽车@@的@@续航里程延长多达@@ 5%。另外@@，文中还讨论了为什么一些原始设备@@制造@@商@@ (OEM) 不愿意从硅基绝缘栅双极晶体管@@ (IGBT) 过渡到@@@@ SiC 器件@@，以及安森美@@@@ (onsemi) 为缓解@@ OEM 的@@担忧同时提升@@@@ OEM 对这种成熟的@@宽禁带半导体技术@@的@@信心所做的@@努力@@。

1. 汽车主@@驱逆变器@@设计趋势@@

电动汽车@@中的@@主@@驱@@（主@@）逆变器@@将直流电池@@电压转换为交流电压@@，从而@@满足电动牵引电机对交流电压的@@需求@@，令其能够顺利驱动车辆@@。主@@驱逆变器@@设计的@@最新趋势包括@@：

增加功率@@：逆变器@@的@@功率@@输出越大@@，车辆加速越快@@，对驾驶员的@@响应也越快@@。

效率最大化@@：最大限度地减少逆变器@@消耗的@@电量@@，以增加用来驱动车辆的@@功率@@@@。

提高@@电压@@：直到@@最近@@，400V 电池@@一直都是电动汽车@@中最常见的@@规格@@，但汽车行业正在向@@ 800V 发展@@，以减小电流@@、电缆厚度和@@重量@@。为此@@，电动汽车@@中的@@主@@驱@@逆变器@@必须能够处理这种更高的@@电压并使用@@合适的@@组件@@。

减轻重量和@@尺寸@@：与@@硅基@@ IGBT 相比@@@@，SiC 具有更高的@@功率@@密度@@ (kW/kg)。更高的@@功率@@密度有助于减小系统尺寸@@（kW/L），减轻主@@驱逆变器@@的@@重量@@，同时减少电机的@@负载@@。车辆重量降低@@有助于在使用@@相同电池@@的@@情况下延长车辆的@@行驶里程@@，同时减小传动系统的@@体积@@，增加乘员和@@后备@@箱的@@可用空间@@@@。

图@@ 1：电动汽车@@主@@驱逆变器@@设计的@@最新趋势@@

2. SiC 相对于@@硅的@@优势@@

与@@硅相比@@@@@@，碳化硅@@在材料特性方面具有多种优势@@，因而@@成为主@@驱逆变器@@设计的@@更优选择@@。首先是它的@@物理硬度@@，达到@@了@@ 9.5 莫氏硬度@@，而@@硅为@@ 6.5 莫氏硬度@@，所以碳化硅@@更适合高压烧结并具有更高的@@机械完整性@@。再者@@，碳化硅@@的@@热导率@@ (4.9W/cm.K) 是硅@@ (1.15 W/cm.K) 的@@四倍多@@@@，这意味着它可以更有效地传递热量从而@@在更高温度下可靠运行@@。最后@@，碳化硅@@的@@击穿电压@@（2500kV/cm）是硅@@（300kV/cm）的@@ 8 倍多@@，而@@且它具有宽带隙性质@@，能够更快地导通和@@关断@@，因而@@成为电动汽车@@日益升高的@@电压@@ (800V) 架构的@@更优选择@@，同时更宽的@@带隙电压意味着它的@@损耗比@@硅更低@@@@。

3. 消解厂商对于@@采用@@ SiC 的@@顾虑@@

尽管@@ SiC 具有明显的@@优势@@，但一些汽车@@ OEM 厂商还是迟迟不肯放弃更传统的@@硅基开关器件@@@@，例如@@用于主@@驱逆变器@@的@@@@ IGBT。OEM 厂商不愿采用@@ SiC 的@@原因包括@@：

认为@@ SiC 是一种尚未成熟的@@技术@@@@

觉得@@ SiC 难以实施@@

以为@@ SiC 没有适合主@@驱应用的@@封装@@

认为@@ SiC 的@@供应不如硅基器件@@便利@@

觉得@@ SiC 比@@ IGBT 更贵@@

下文将从多个角度说明为什么上述看法缺少根据@@，以及为什么@@ OEM 应该有信心在电动汽车@@主@@驱逆变器@@中使用@@@@ SiC。

4. 证明@@ SiC 可提高@@主@@驱逆变器@@效率@@

提升@@ OEM 信心的@@第一步是展示在主@@驱逆变器@@设计中使用@@@@ SiC 可实现的@@明显性能优势@@。我们使用@@电路设计软件对安森美@@的@@@@@@NVXR17S90M2SPB(1.7mΩ Rdson)和@@ NVXR22S90M2SPB(2.2mΩ Rdson) EliteSiC Power 900 V 六组功率模块@@进行了仿真@@，并将其性能与@@@@ 820 A VE-Trac Direct IGBT（同样来自安森美@@@@）进行了比@@较@@。主@@驱逆变器@@设计的@@仿真结果表明@@：

对于@@ 10KHz 开关频率下@@ 450V 直流母线电压和@@@@ 550Arms 功率传输@@，在相同散热条件下@@，SiC 模块@@的@@@@ Tvj（结温@@）(111°C) 比@@ IGBT (142°C) 低@@ 21%。

与@@ IGBT 相比@@@@，NVXR17S90M2SPB 的@@平均开关损耗降低@@了@@ 34.5%，NVXR22S90M2SPB 的@@平均开关损耗则降低@@了@@ 16.3%。

与@@基于@@ IGBT 的@@设计相比@@@@@@，使用@@ NVXR17S90M2SPB 实施的@@全主@@驱逆变器@@设计的@@总体损耗降低@@了@@ 40% 以上@@，使用@@ NVXR22S90M2SPB 时功率损耗则降低@@了@@ 25%。

虽然这些改进针对的@@是主@@驱逆变器@@@@，但它们可以使电动汽车@@整体能效提高@@@@ 5%，从而@@使续航里程延长@@ 5%。例如@@，配备@@@@ 100kW 电池@@、续航里程为@@ 500 公里@@的@@电动汽车@@@@，如果使用@@基于安森美@@@@ EliteSiC 功率模块@@的@@@@主@@驱逆变器@@@@，那么它的@@行驶里程则可达@@ 525 公里@@。值得注意的@@是@@，在此类主@@驱逆变器@@中使用@@@@ SiC 的@@成本也将比@@硅@@ IGBT 低@@ 5%。

5. 更高的@@功率@@传输@@@@

对于@@考虑放弃@@ IGBT 的@@ OEM 而@@言@@，安森美@@提供了具有类似尺寸的@@@@ SiC 模块@@，不但便于集成@@，而@@且还简化了实施过程@@，无需对制造@@流程进行任何更改@@。此外@@，SiC 模块@@还具有在相同结温@@下提供更高功率的@@额外优势@@。例如@@，NVXR17S90M2SPB 可提供@@ 760Arms，而@@ IGBT (Tvj =150°C) 只能提供@@ 590Arms，前者比@@后者增加了@@ 29% 的@@功率@@。此外@@，安森美@@将@@ SiC 芯片烧结在直接键合铜板上@@，使器件@@结点和@@冷却剂之间的@@热阻降低@@多达@@ 20%（Rth 结点到@@流体@@ = 0.08ºC/W）。

图@@ 2：安森美@@的@@@@ SiC 封装具有出色的@@低@@热阻@@

采用先进互连技术@@的@@压铸模封装进一步提高@@了@@ SiC 模块@@的@@@@高功率密度@@，并且具有低@@杂散电感@@（对于@@高速开关效率非常重要@@），而@@且更高的@@开关频率有助于减小系统中一些无源组件的@@尺寸和@@重量@@。此外@@，这种封装类型具有多种工作温度选项@@（最高达@@ 200°C），可降低@@@@ OEM 的@@散热要求@@，并有望采用更小的@@泵进行热管理@@。

6. 在更广泛的@@架构中改用@@ SiC

随着电动汽车@@电池@@电压的@@增加@@，我们可以在维持相同功率输出的@@情况下减小电流@@。从系统层面而@@言@@@@，这意味着汽车中的@@电缆将变得更细@@。转向@@ SiC 将变得越来越合理@@，因为@@ SiC 器件@@产生的@@热量比@@硅基器件@@更少@@，可实现更高的@@功率@@密度@@，不仅是在主@@驱逆变器@@中@@，而@@且在更广泛的@@电动汽车@@架构中也能发挥巨大作用@@。

7. 安森美@@消除@@ OEM 对于@@ SiC 供应的@@担忧@@

安森美@@投入巨资打造全整合且成熟的@@@@ SiC 供应链和@@生态系统@@，包括晶圆外延和@@@@ 150mm 制造@@（计划向@@200mm发展@@），涉及分立产品@@、集成电路器件@@@@、模块@@和@@参考应用设计@@。经过十多年@@的@@发展@@@@，安森美@@积累了深厚的@@专业知识@@，可以帮助汽车@@ OEM 厂商消除对于@@转用@@ SiC 的@@各种担忧@@。

文章来源@@：安森美@@