【導讀】因續航能力有限而導致的“裏程焦慮”是(shi)許(xu)多(duo)消(xiao)費(fei)者(zhe)采(cai)用(yong)電(dian)動(dong)車(che)的(de)一(yi)個(ge)障(zhang)礙(ai)。增(zeng)加(jia)電(dian)池(chi)密(mi)度(du)和(he)提(ti)高(gao)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)過(guo)程(cheng)的(de)效(xiao)率(lv)是(shi)延(yan)長(chang)車(che)輛(liang)續(xu)航(hang)能(neng)力(li)以(yi)緩(huan)解(jie)這(zhe)種(zhong)焦(jiao)慮(lv)的(de)關(guan)鍵(jian)。能(neng)效(xiao)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)領(ling)域(yu)是(shi)主(zhu)驅(qu)逆(ni)變(bian)器(qi)，它(ta)將(jiang)直(zhi)流(liu)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)所(suo)需(xu)的(de)交(jiao)流(liu)驅(qu)動(dong)

，以(yi)為(wei)電(dian)機(ji)供(gong)電(dian)。

在這篇技術文章中，我們討論VE-Trac™ IGBT和碳化矽(SiC)模塊如何賦能更高的電池密度並提供更高效的轉換過程，以延長電動車的續航能力，從而幫助克服消費者的擔憂。

主驅逆變器是電動車的核心，連接電池和主驅電機。它們將直流電池電壓轉換為電機所需的交流驅動
，功率水平通常為80千瓦至150多千瓦。電池電壓基於電池組的大小
，通常在400 V直流電壓範圍內

，但800 V直流電壓正越來越普遍，以顯著減小電流，從而降低損耗。

雖然鋰離子(Li-Ion)電池成本在過去三年中降低了40%，或在過去十年中降低了90%
，但它仍是電動車中最高的成本項。降價的軌跡預計將持續到2025年左右，屆時價格將趨於穩定。鑒於這項成本，當務之急是盡可能有效地利用每一焦耳的存儲能量
，以減小電池組的成本和尺寸。

這種電力驅動提供極高的扭矩和加速度。逆變器和電動馬達組合的反應能力直接關係到車輛的“感知”，因而也關係到消費者的駕駛體驗和滿意度。

開關器件的作用

主驅逆變器通常含三個半橋元件
，每個半橋元件由一對MOSFET或IGBT組成，稱為上橋和下橋開關。每個電機相位都有一個半橋，總共有三個
，由柵極驅動器控製每個開關器件。

圖1：主驅逆變器概覽

開(kai)關(guan)的(de)主(zhu)要(yao)作(zuo)用(yong)是(shi)打(da)開(kai)和(he)關(guan)斷(duan)來(lai)自(zi)高(gao)壓(ya)電(dian)池(chi)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)
，為(wei)推(tui)動(dong)車(che)輛(liang)的(de)電(dian)機(ji)提(ti)供(gong)交(jiao)流(liu)驅(qu)動(dong)。這(zhe)是(shi)個(ge)要(yao)求(qiu)很(hen)高(gao)的(de)應(ying)用(yong)，因(yin)為(wei)它(ta)工(gong)作(zuo)在(zai)高(gao)電(dian)壓(ya)

、高電流和高工作溫度條件，而800 V電池可提供超過200千瓦的功率。

基於400 V電池係統的主驅逆變器要求功率半導體器件的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。在一個典型的應用中
，這些功率器件還必須處理持續時間長達30秒(s)的超過600 A的峰值交流電流，以及持續約1毫秒(ms)的最大交流電流1600 A。

此外，開關晶體管和用於該器件的柵極驅動器必須能夠處理這些大的負載，同時使主驅逆變器保持高能效。

IGBT一直是主驅逆變器應用的首選器件，因為它們可以處理高電壓，快速開關，帶來高能效的工作，並滿足汽車行業具挑戰性的成本目標。

開關和功率密度

現代汽車極為擁擠——至少含技術的空間是如此。這說明功率密度是個重要參數，動力總成的功率密度尤為重要。物理尺寸(和重量)必須最小化
，因為任何重量都會導致車輛續航能力降低。

除了元器件的物理尺寸外
，設計的能效也是主要的驅動因素。能效越高，產生的熱量就越少

，逆變器的結構就越緊湊。

開關(無論是IGBT還是MOSFET)對產生熱量的損耗有最重要的影響。較低的導通電阻(RDS(ON))值可減少靜態損耗，而柵極電荷(Qg)degaijinkejianshaodongtaihuokaiguansunhao，shixitongdekaiguansudujiakuai。ruguokaiguansudugengkuai
，namejiukeyidadajianxiaocitiedengwuyuanyuanjiandechicun，congertigaogonglvmidu。

kaiguandezuigaogongzuowenduyehuiyingxianggonglvmidu
，yinweiruguoqijiannengzaigenggaodewenduxiagongzuo
，xuyaodelengquejiugengshao
，congerjinyibujianshaoshejidechicunhezhongliang。

模塊化方案增加功率密度

zaixuduozhuqunibianqideshejizhong，guanjianqijiantongchangshidandudefenlifengzhuang，suiranzheshigefeichangyouxiaodefangfa

，dantabuyidingnengtigongzuijincouhuozuigaogonglvmidudesheji。

另一種方法是使用預配置的模塊來構成主驅逆變器所需的半橋。安森美(onsemi)的VE-Trac功率集成模塊(PIM)就是這樣一種方案
，它專用於汽車功能電子化應用
，包括逆變器。

VE-Trac Dual電源模塊在一個半橋架構中集成了一對1200 V超場截止(UFS)IGBT。這些器件采用了穩定可靠且經過驗證的溝槽(Trench) UFS IGBT技術
，提供高電流密度

、穩定可靠的短路保護以及800 V電池應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，使其具有獨特的優勢，並對過電流(OCP)和過溫度等保護功能提供更快的反應時間，從而提供一個更穩定可靠的方案。

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期壽命增加一倍。將該IGBT和一個二極管共同封裝，可以減少功率損耗和實現軟開關，從而提高整體能效。

VE-Trac Dual模塊將裸芯片封裝在一個小巧的尺寸中

，更易於集成到緊湊的設計中。高效的工作、低損耗和雙麵水冷確保輕鬆實現熱管理，同時持續工作在175°C允許向牽引電機提供更高的峰值功率。

主驅逆變器的每一相通常需要一個VE-Trac Dual模塊，其機械設計本身可用於多相應用，提供簡單的可擴展性
，包括將模塊並聯以在每個單相提供更多的功率。

雖然基於IGBT的VE-Trac模塊足以滿足大多數汽車應用的要求，但基於SiC MOSFET的增強版也可用於最高要求的應用。這款產品采用了最新的寬禁帶(WBG)技術
，進一步減小主驅逆變器設計的尺寸並提高能效。

總結

讓rang電dian動dong車che在zai兩liang次ci充chong電dian之zhi間jian行xing駛shi得de更geng遠yuan是shi我wo們men當dang前qian的de一yi大da技ji術shu挑tiao戰zhan。由you於yu政zheng府fu要yao求qiu
，且qie人ren們men期qi望wang改gai善shan環huan境jing
，這zhe些xie車che輛liang將jiang在zai未wei來lai幾ji年nian內nei被bei迅xun速su采cai用yong。

如果減輕消費者的“續航裏程焦慮”，電dian動dong車che會hui更geng有you吸xi引yin力li，那na麼me采cai用yong的de速su度du會hui更geng快kuai。實shi現xian這zhe的de最zui佳jia途tu徑jing是shi提ti高gao能neng效xiao，這zhe不bu僅jin延yan長chang續xu航hang裏li程cheng，還hai增zeng加jia功gong率lv密mi度du和he提ti升sheng可ke靠kao性xing。

半導體開關是實現高能效的關鍵，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用而設計的PIM
，如安森美的VE-Trac模塊。這些基於IGBT的設計提供所需的高能效
、高性能和可擴展性，外形小巧，簡化了熱設計。

作者：安森美高級產品線經理Jonathan Liao

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