【導讀】隨著(zhù)人們對電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混動(dòng)汽車(chē) (HEV) 的興趣和市場(chǎng)支持不斷增加，汽車(chē)制造商為向不斷擴大的客戶(hù)群提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，競爭日益激烈。由于 EV 的電機需要高千瓦時(shí)電源來(lái)驅動(dòng)，傳統的 12 V 電池已讓位于 400-450 V DC 數量級的電池組，成為 EV 和 HEV 的主流電池電壓。
市場(chǎng)已經(jīng)在推動(dòng)向更高電壓電池的轉變。800 V DC 和更大的電池將變得更占優(yōu)勢，因為使用更高的電壓意味著(zhù)系統可以在更低的電流下運行，同時(shí)實(shí)現相同的功率輸出。較低電流的優(yōu)點(diǎn)是損耗較低，需要管理的熱耗散較少，還有利于使用更小的電纜為整個(gè)車(chē)輛供電。
不斷發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)對于在全球范圍內實(shí)現更可持續的交通運輸至關(guān)重要。到 2024 年底，道路上將有超過(guò) 700 萬(wàn)輛汽車(chē)搭載安森美 (onsemi) VE-Trac?功率模塊，僅這些車(chē)輛就可以每年減少 2900 萬(wàn)噸的二氧化碳排放量（見(jiàn)圖 1）。
圖 1.減少車(chē)輛搭載安森美 VE-Trac 功率模塊后可減少的二氧化碳排放量
主驅逆變器
電池的主要負載是車(chē)輛的電機，使用交流電機的 EV 和 HEV 依賴(lài)于主驅逆變器將直流電池電源轉換為交流電（見(jiàn)圖 2）。主驅逆變器是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，提供驅動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)所需的扭矩和加速度。主驅逆變器的兩個(gè)主要設計考慮因素包括轉換效率和峰值功率。
圖 2. 主驅逆變器將直流電池電源轉換為交流電源，提供扭矩和加速度
從 DC 到 AC 的電源轉換效率越高，車(chē)輛就可以使用更小的電池做更多的事情。更高的效率還意味著(zhù)系統可以提供更多的功率，并減少需要管理的散熱。
峰值功率決定了車(chē)輛的整體性能，特別是車(chē)輛的瞬時(shí)扭矩和加速能力。效率（續航里程）和峰值功率（性能）共同決定了車(chē)輛的應用和使用場(chǎng)景。
如今，許多 EV 和 HEV 都是基于 IGBT 技術(shù)構建的。隨著(zhù)碳化硅 (SiC) 技術(shù)的問(wèn)世，更高的效率和性能成為可能。
碳化硅的優(yōu)勢
IGBT 技術(shù)通常為中低檔車(chē)輛提供更具成本效益的解決方案，SiC 提供出色的效率和峰值功率，尤其是在較高電壓下，適用于非常重視續航里程和性能的車(chē)輛，系統成本也更加靈活。每個(gè)芯片阻抗更低，可實(shí)現出色的效率和熱優(yōu)化。在這些功能的共同作用下，每英里的電池消耗得以降低。雖然 SiC 的成本高于 IGBT，但在許多應用中，這被 SiC 提高的能效所帶來(lái)的整車(chē)其他方面的成本節省所抵消。
圖 3 到圖 6比較了 IGBT 效率與 SiC 效率。在圖 3 和圖 4中，NVH820S75L4SPB 是 IGBT 模塊（方形連線(xiàn)圖），而 NVXR17S90M2SPB 是 SiC 模塊（圓形連線(xiàn)圖）。這兩張圖顯示了 IGBT 因開(kāi)關(guān)頻率和 RMS 負載電流具有更高的功率損耗。圖 5 和圖 6 顯示，以更高頻率運行的 SiC 可實(shí)現出色的效率增益。
圖 3. 8 kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的功率損耗
圖 4. 15 kHz 開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的功率損耗
圖 5. 8 kHz 時(shí)的效率增益
圖 6. 15 kHz 時(shí)的效率增益
就本質(zhì)而言，當前的 IGBT 技術(shù)會(huì )隨著(zhù)電壓的增加而變得更厚且效率更低，從而導致需要更高的阻斷電壓?？梢曰?IGBT 構建更高電壓的逆變器，但隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的電壓達到 800 V 及以上，SiC 的效率將大大高于 IGBT。在更高電壓下，SiC 不必像 IGBT 一樣厚也能實(shí)現阻斷電壓。在標準負載下，IGBT 的效率約為 94%。然而，在較低負載下，其效率下降至 92%，例如當車(chē)輛以巡航速度運行時(shí)。相比之下，SiC 在標準負載下可達到 98%，增益為 4%。SiC 在較低負載下具有 95% 的效率，增益為 3%。
增加行駛里程：
一個(gè) 100 千瓦時(shí)的電池和基于 IGBT 的逆變器解決方案，可以產(chǎn)生 300 英里的最大行駛里程。使用 SiC ，效率提高 3% 以上，將使車(chē)輛的續航里程增加 9 英里或更多。對于具有更大電池的車(chē)輛，例如長(cháng)途運輸卡車(chē)，續航里程會(huì )更遠。
更小直徑的布線(xiàn)：
電機可以用較低的電流驅動(dòng)，因為基于 SiC 的主驅逆變器在較高電壓下運行效率更高。這樣，就可以使用直徑較小的電纜。貫穿車(chē)輛的布線(xiàn)的直徑變小，減少了整體重量，這樣只需更少的電力就能驅動(dòng)車(chē)輛并增加總的行駛里程。此外，更小直徑的布線(xiàn)成本更低，抵消了使用高壓 SiC 主驅逆變器的成本。
系統尺寸：
SiC 技術(shù)的效率更高，使高壓主驅逆變器在尺寸上更加緊湊，而不會(huì )影響效率或峰值功率。較小的逆變器使設計人員在逆變器的放置方面具有更大的靈活性，并最大限度地增加了車(chē)內的乘客空間和可用空間。
熱管理：
管理車(chē)輛內的熱量對于維持整體系統效率至關(guān)重要?；?SiC 的主驅逆變器具有更高的熱效率，可產(chǎn)生更低的損耗和更少的散熱。這意味著(zhù)逆變器在較低的溫度下運行，帶來(lái)雙重好處：牽引系統可以實(shí)現更高的峰值功率，同時(shí)降低散熱系統整體成本。
VE-Trac 高度集成功率模塊
IGBT 和 SiC 都是主驅逆變器系統的可行方案。然而，許多因素會(huì )影響整個(gè)牽引系統中主驅逆變器的效率和性能，沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式可以確定適合給定應用的最佳方法。
通過(guò)與安森美合作，工程師可以探索各種選擇。安森美擁有完整的主驅逆變器解決方案組合，包括 IGBT 和 SiC 技術(shù)，因此 OEM 和一級供應商可以為其應用找到合適的逆變器半導體解決方案。安森美為 EV 和 HEV 應用提供廣泛的牽引逆變器解決方案，VE-Trac 系列就是用于汽車(chē)功能電子化的高度集成功率模塊。這些模塊采用創(chuàng )新的封裝、先進(jìn)的散熱技術(shù)并具備出色的可靠性。
安森美旗下的整個(gè) IGBT 和 SiC 主驅逆變器產(chǎn)品線(xiàn)均采用標準的外殼模塊封裝和外形。通過(guò)標準封裝，OEM 可以使用同等的模塊外形，將現有的基于 IGBT 的系統遷移到 SiC。這使 OEM 只需對逆變器系統設計進(jìn)行少量修改，即可在現有應用中獲得 SiC 的全部?jì)?yōu)勢。
然而，隨著(zhù)行業(yè)朝著(zhù)提高可靠性的方向發(fā)展，安森美也提供壓鑄模封裝 (TMP) 以實(shí)現更出色的可靠性。隨著(zhù) OEM 向市場(chǎng)推出新設計，TMP 可將器件封裝在非常堅固的塑封壓鑄模封裝中，提高電動(dòng)汽車(chē)在惡劣運行環(huán)境中電氣連接的可靠性。安森美提供半橋解決方案。
在封裝選項中，安森美提供先進(jìn)的直接散熱技術(shù)以最大限度地提高導熱性，從而提高系統性能和可靠性。模塊在冷卻劑和 IGBT / SiC 芯片之間具有直接散熱路徑，無(wú)需額外的熱元件，例如熱界面材料 (TIM) 或散熱片。對于需要更多散熱的應用，雙面散熱允許冷卻劑在模塊的頂面和底面流動(dòng)，以更快地散熱。
可靠性是 EV 和 HEV 的一個(gè)重要因素。通過(guò)使用先進(jìn)散熱技術(shù)改進(jìn)散熱并采用剛性封裝來(lái)保護電氣連接，OEM 可以設計出能夠在更長(cháng)距離內運行而不會(huì )出現主驅系統故障的電動(dòng)汽車(chē)。為了進(jìn)一步提高可靠性，安森美采用壓合式引腳技術(shù)來(lái)連接功率模塊和柵極驅動(dòng)板之間的信號引腳。壓合式引腳是在其他汽車(chē)應用中經(jīng)過(guò)驗證的技術(shù)，例如 TPMS 和電機控制。壓合式引腳可確保穩固連接，而且牢固、可靠、無(wú)焊料、可重復，且針對自動(dòng)化和大批量制造進(jìn)行了優(yōu)化。
各種 VE-Trac 模塊還集成了智能 IGBT 芯片，使模塊能夠自我監控自身的運行狀況，以應對過(guò)熱和過(guò)流等保護事件。在片上執行自我監控而不是通過(guò)外部 NTC 熱敏電阻進(jìn)行監控，可以使模塊響應更快，并最大限度地減少此類(lèi)事件發(fā)生時(shí)的影響。
圖 7. VE-Trac 系列是高度集成的功率模塊，整合一系列電壓、功率和制造技術(shù)，為各種混動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)應用提供合適的解決方案。
圖 7顯示了 VE-Trac 系列中 OEM 可用的許多選項。采用直接水冷技術(shù)的 VE-Trac Direct 模塊可輕松與壓合式標準外殼模塊封裝相集成，以提高靈活性和可靠性（見(jiàn)圖 8）。借助 IGBT 和 SiC 選項，VE-Trac Direct 模塊可提供 100 kW 以上的功率級可擴展性。
圖 8. VE-Trac Direct 模塊可擴展到 100 kW 以上且易于集成
VE-Trac Dual 模塊采用緊湊型 TMP 外形尺寸，體積縮小 30%，同時(shí)為需要擴展至 300 kW 的空間受限應用提供相當的輸出功率（見(jiàn)圖 9）。VE-Trac 的使用壽命比標準模塊長(cháng) 3 倍以上，還提供出色的電氣和熱性能、極低的封裝電感 (<7 nH) 和出色的 $/kW 值。集成了智能的 IGBT 片上溫度和電流傳感器，可實(shí)現更嚴格的容差（± 7°，而基于 NTC 的傳感為 ± 14°）和更快的故障檢測（200 ns，而 DESAT 為 2 μs+）。
圖 9. VE-Trac Dual 模塊采用緊湊型 TMP 外形，提供出色的電氣和熱性能及 $/kW 值。
VE-Trac B2-Direct SiC 模塊采用新技術(shù)，提供 SiC 的效率和高峰值功率，含下一代封裝、直接散熱和熱性能技術(shù)，可延長(cháng)整體壽命性能（見(jiàn)圖 10）。其他主要特性包括：通過(guò)銀燒結將芯片連接到 DBC 上、源夾具互連、與 AHPM DSC 的封裝兼容性，以及從中功率到高功率的可擴展功率輸出。
圖 10. VE-Trac B2-Direct SiC 模塊通過(guò)下一代封裝、直接散熱、和熱性能技術(shù)提供出色的效率和高峰值功率。
可擴展集成
憑借多功能和可擴展的封裝選項，安森美可為每個(gè)應用提供合適的模塊。VE-Trac Direct 功率模塊提供 100 至 180 kW 的可擴展解決方案，具有適用于三相電機應用的相同機械封裝。VE-Trac Dual 解決方案提供了極高的靈活性，功率模塊可以垂直橫向排列，可根據應用調整逆變器系統，使之更長(cháng)更薄或更短更厚。此外，逆變器系統可以在同一相上并聯(lián)放置兩個(gè)多功率模塊，以增加峰值功率，從而在類(lèi)似的緊湊外形中提供高達 2 倍的功率。
作為功率半導體市場(chǎng)的領(lǐng)導者，安森美了解設計高效、可靠和可持續的電源解決方案的重要性。VE-Trac 系列等廣泛而靈活的集成模塊產(chǎn)品組合使 OEM 能夠為應用選擇合適的解決方案，從低電壓、具有成本效益的 IGBT 模塊，到提供高效率和高峰值功率的高壓 SiC 模塊等。安森美也是一家 SiC 供應商，提供全面的垂直整合量產(chǎn)服務(wù)。
憑借在汽車(chē)行業(yè)的悠久歷史（40 多年），安森美還提供完整的設計支持，包括全面的應用筆記和仿真模型，用戶(hù)還可獲得安森美功能安全專(zhuān)家和全球開(kāi)發(fā)支持團隊的幫助。除了對 SiC 制造等技術(shù)進(jìn)行大量投資外，安森美還以可靠的封裝、完整的垂直電源整合和先進(jìn)的散熱方案等創(chuàng )新，不斷推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步。安森美了解汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展方向，并致力于提供 OEM 所需的技術(shù)，為混動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)提供可靠、優(yōu)質(zhì)的電力驅動(dòng)。
本文作者：安森美高級產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理Jonathan Liao
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