【導讀】目前有兩大因素影響著(zhù)車(chē)輛運輸和半導體技術(shù)的未來(lái)。行業(yè)正在擁抱令人振奮的新方法，即以清潔的電力驅動(dòng)我們的汽車(chē)，同時(shí)重新設計支撐電動(dòng)汽車(chē)(EV)子系統的半導體材料，以最大程度地提高功效比，進(jìn)而增加電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。
政府監管機構繼續要求汽車(chē)OEM減少其車(chē)系的整體二氧化碳排放量，對違規行為給予嚴厲處罰，同時(shí)開(kāi)始沿著(zhù)道路和停車(chē)區域增設電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施。但是，盡管取得了這些進(jìn)展，主流消費者仍然對電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程存有疑慮，使電動(dòng)汽車(chē)的推廣受到阻力。
更復雜的是，大尺寸的電動(dòng)汽車(chē)電池雖然可以增加其行駛里程，緩解消費者關(guān)于行駛里程的焦慮，但它會(huì )令電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格上漲——電池成本在整車(chē)成本中的占比超過(guò)25%。
幸運的是，同時(shí)期的半導體技術(shù)革命催生了新的寬帶隙器件，例如碳化硅(SiC) MOSFET功率開(kāi)關(guān)，使得消費者對電動(dòng)汽車(chē)行駛里程的期望與OEM在成本架構下實(shí)際可實(shí)現里程之間的差距得以縮小。
Wolfspeed SiC功率器件領(lǐng)導者之一，功率平臺經(jīng)理Anuj Narain表示，"與現有的硅基技術(shù)相比，SiC MOSFET憑借其自身的優(yōu)勢，被廣泛認為可以為標準電動(dòng)汽車(chē)的駕駛周期增加5%至10%的續航里程。"基于此，它們是電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統中新一代牽引逆變器的重要組成部分。如果與配套器件一起進(jìn)行適當開(kāi)發(fā)，其能效提升將代表著(zhù)消費者對電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域信心的大幅增加，并有助于加快電動(dòng)汽車(chē)的普及。
圖1. 電動(dòng)汽車(chē)中的功率轉換部件。電機逆變器將高壓電池的直流電壓轉換成交流波形來(lái)驅動(dòng)電機，驅動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。
充分利用SiC技術(shù)
眾所周知，基于SiC的功率開(kāi)關(guān)本身在功率密度和效率方面具有優(yōu)勢，這對于系統散熱和減小器件尺寸都有重要意義。采用SiC有望使逆變器尺寸在800 V/250 kW時(shí)縮小3倍，如果配合使用直流環(huán)節薄膜電容，則能進(jìn)一步減小尺寸和節省成本。與傳統的硅功率開(kāi)關(guān)相比，SiC功率開(kāi)關(guān)可以幫助實(shí)現更出色的行駛里程和/或更小的電池尺寸，使得開(kāi)關(guān)成本在器件級別和系統級別都更具優(yōu)勢。
圖2. 電池至電機信號鏈。為了增加行駛里程，每個(gè)模塊都應設計為可提供最高能效。
在同時(shí)考慮行駛里程和成本因素時(shí)，仍然需要以電機逆變器為焦點(diǎn)不斷創(chuàng )新，旨在進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)的效率和行駛里程。作為電機逆變器中價(jià)格最昂貴、功能最重要的元件，SiC功率開(kāi)關(guān)需要接受精準控制，以充分發(fā)揮額外的開(kāi)關(guān)成本的價(jià)值。
圖3. 開(kāi)啟（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的電壓和電流波形。在SiC環(huán)境中，dv/dt將超過(guò)10 V/ns，這意味著(zhù)開(kāi)關(guān)800 V直流電壓的時(shí)間不會(huì )超過(guò)80 ns。同樣，di/dt為10 A/ns時(shí)，意味著(zhù)在80 ns內電流為800 A，從中可以觀(guān)察到di/dt的變化。
事實(shí)上，SiC開(kāi)關(guān)的所有固有優(yōu)勢都會(huì )被共模噪聲干擾，以及被管理不善的功率開(kāi)關(guān)環(huán)境中的超快電壓和電流瞬變（dv/dt和di/dt）導致的極高和破壞性的電壓過(guò)沖影響。一般來(lái)說(shuō)，拋開(kāi)底層技術(shù)不談，SiC開(kāi)關(guān)的功能相對簡(jiǎn)單，它只是一個(gè)3端器件，但必須小心連接至系統。
關(guān)于柵極驅動(dòng)器
隔離式柵極驅動(dòng)器的作用關(guān)系到功率開(kāi)關(guān)的最佳開(kāi)關(guān)點(diǎn)，確保通過(guò)隔離柵實(shí)現短而準確的傳播延遲，同時(shí)提供系統和安全隔離，避免功率開(kāi)關(guān)過(guò)熱，檢測和防止短路，并促使在A(yíng)SIL D系統中插入子模塊驅動(dòng)/開(kāi)關(guān)功能。
圖4. 隔離式柵極驅動(dòng)器橋接了信號世界（控制單元）和功率世界（SiC開(kāi)關(guān)）。除了隔離和信號驅動(dòng)，該驅動(dòng)器還執行遙測、保護和診斷功能，使其成為信號鏈的關(guān)鍵元件。
但是，SiC開(kāi)關(guān)導致的高擺率瞬態(tài)會(huì )破壞跨越隔離柵的數據傳輸，所以測量和了解對這些瞬變的敏感性至關(guān)重要。ADI專(zhuān)有的 iCoupler?技術(shù)具有出色的共模瞬變抗擾度(CMTI)，測量性能高達200 V/ns及以上。在安全操作環(huán)境中，這可以充分釋放SiC開(kāi)關(guān)時(shí)間的潛力。
圖5. 20多年來(lái)，ADI一直走在數字隔離技術(shù)發(fā)展的前沿，推出了iCoupler?數字隔離IC。該技術(shù)采用帶有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數字隔離器采用晶圓CMOS工藝。變壓器采用差分架構，具有出色的共模瞬變抗擾度。
考慮到較小的裸片尺寸和嚴格的熱封裝，短路是基于SiC的電源開(kāi)關(guān)的另一個(gè)主要挑戰。柵極驅動(dòng)器為電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統的可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化提供了必要的短路保護。
在Wolfspeed等領(lǐng)先的SiC MOSFET功率開(kāi)關(guān)提供商的實(shí)際測試中，高性能柵極驅動(dòng)器已證實(shí)了自身的價(jià)值。對于關(guān)鍵參數性能，例如短路檢測時(shí)間和總故障清除時(shí)間，可分別低至300 ns和800 ns。為了提高安全性和保護等級，測試結果表明，可調的軟關(guān)斷能力對系統能否平穩運行至關(guān)重要。
同樣，可以最大程度提高開(kāi)關(guān)能量和電磁兼容性(EMC)，以最大限度提高功率性能和電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。驅動(dòng)能力更高時(shí)，用戶(hù)可以獲得更快的邊緣速率，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。這不僅有助于提高效率，而且無(wú)需為每個(gè)柵極驅動(dòng)器分配外部緩沖器，從而節省了電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統可能需要降低開(kāi)關(guān)速度來(lái)實(shí)現出色的效率，甚至需要分級開(kāi)關(guān)，研究表明以上可以進(jìn)一步提高效率。ADI提供可調壓擺率，允許用戶(hù)進(jìn)行此操作，去除外部緩沖器則進(jìn)一步減少了阻礙。
系統要素
需要注意的是，柵極驅動(dòng)器和SiC開(kāi)關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能完全被周?chē)M件的妥協(xié)和/或低效抵消。ADI在功率控制和傳感方面的經(jīng)驗和我們系統級的性能優(yōu)化方法相結合，可以涵蓋多種設計考量。
從整體角度來(lái)看，電動(dòng)汽車(chē)顯露了優(yōu)化傳動(dòng)系統功率效率的額外機會(huì )，這對于在確保安全可靠運行的同時(shí)最大限度利用電池可用容量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。電池管理系統的品質(zhì)直接影響電動(dòng)汽車(chē)每次充電所能行駛的里程數。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統能夠最大限度地延長(cháng)電池的整體使用壽命，從而降低總擁有成本(TCO)。
就功率管理而言，能夠在不降低BOM成本或減小PCB尺寸的情況下克服復雜的電磁干擾問(wèn)題(EMI)將變得至關(guān)重要。無(wú)論是隔離式柵極驅動(dòng)器的供電電路，還是高壓至低壓DC-DC電路，高功效比、熱性能和封裝仍然是功率域的關(guān)鍵考慮因素。在所有情況下，能否消除電磁干擾對電動(dòng)汽車(chē)設計人員而言極為重要。涉及到開(kāi)關(guān)多個(gè)電源時(shí)，電磁干擾是一個(gè)非常關(guān)鍵的痛點(diǎn)，如果EMC性能出色，則非常有助于減少測試周期和降低設計復雜性，從而加快上市速度。
如果深入研究支持部件的生態(tài)系統，會(huì )發(fā)現電磁傳感技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)產(chǎn)生了新一代無(wú)接觸電流傳感器，該傳感器能夠提供高帶寬、高精度，而且無(wú)功率損耗，此外，還推動(dòng)產(chǎn)生了精密且可靠的位置傳感器，適用于軸端和軸外布置。典型的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)中部署15到30個(gè)電流傳感器，并采用旋轉和位置傳感器來(lái)監測牽引電機。在干擾電磁場(chǎng)下的精度和可靠性是跨電動(dòng)汽車(chē)功率系統測量和保持性能的重要屬性。
端到端效率
從電池到電機逆變器，再到支持組件等，從整體來(lái)看電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統的所有元件，ADI發(fā)現了無(wú)數改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的機會(huì )，可以提升其整體能效，還能增加電動(dòng)汽車(chē)行駛里程。隨著(zhù)SiC功率開(kāi)關(guān)技術(shù)滲透到電動(dòng)汽車(chē)電機逆變器中，數字隔離已成為其中一個(gè)重要的組成部分。
同樣，汽車(chē)OEM可以利用多學(xué)科方法來(lái)優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)，以確保所有可用的功率檢測和控制器件密切配合，以最大限度提升性能和效率。同時(shí)，它們可以幫助消除主流消費者購買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)的最后一個(gè)障礙，即行駛里程和成本，同時(shí)幫助打造更環(huán)保的未來(lái)。
參考電路
1 Richard Dixon?！拔磥?lái)汽車(chē)使用的MEMS傳感器?！钡?屆年度汽車(chē)傳感器和電子峰會(huì )，2019年2月。
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