【導讀】jinjinianxinnengyuanchefazhanxunmeng，jishuchuangxintufeimengjin。ruheshejigenggaoxiaodeqianyinnibianqishizhengchehuodegengchangdexuhanglichengyizhishiyanfajishurenyuantantaodezuizhongyaohuatizhiyi。gaoxiaodeqianyinnibianqixuyaozaigonglv、效率和材料利用率之間取得適當的平衡。

jinjinianxinnengyuanchefazhanxunmeng，jishuchuangxintufeimengjin。ruheshejigenggaoxiaodeqianyinnibianqishizhengchehuodegengchangdexuhanglichengyizhishiyanfajishurenyuantantaodezuizhongyaohuatizhiyi。gaoxiaodeqianyinnibianqixuyaozaigonglv、效率和材料利用率之間取得適當的平衡。

當前新能源汽車牽引逆變器的功率半導體器件幾乎都是基於單一的矽基(Si) 或者碳化矽基（SiC）。Si IGBT 或寬帶隙 SiC MOSFET功率半導體具有不同的性能特點，可以適合不同的目標應用。單一性質的IGBT器件或SiC器件在逆變器應用中很難同時滿足高效和成本的要求。

如今越來越多的設計人員希望以創造性的方式使用和組合半導體材料，以尋找Si和SiC的(de)最(zui)佳(jia)平(ping)衡(heng)點(dian)。創(chuang)新(xin)方(fang)法(fa)挑(tiao)戰(zhan)了(le)以(yi)往(wang)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)被(bei)鎖(suo)定(ding)在(zai)特(te)定(ding)一(yi)種(zhong)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)上(shang)的(de)既(ji)定(ding)觀(guan)念(nian)。例(li)如(ru)，過(guo)去(qu)人(ren)們(men)認(ren)為(wei)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)設(she)計(ji)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)。現(xian)在(zai)
，融(rong)合(he)技(ji)術(shu)正(zheng)在(zai)將(jiang)為(wei)新(xin)的(de)設(she)計(ji)可(ke)能(neng)性(xing)鋪(pu)平(ping)道(dao)路(lu)。英(ying)飛(fei)淩(ling)將(jiang)不(bu)同(tong)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)創(chuang)新(xin)性(xing)地(di)結(jie)合(he)到(dao)新(xin)型(xing)逆(ni)變(bian)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)，在(zai)成(cheng)本(ben)和(he)性(xing)能(neng)優(you)化(hua)方(fang)麵(mian)實(shi)現(xian)市(shi)場(chang)驅(qu)動(dong)的(de)平(ping)衡(heng)。

本文將探討英飛淩在混合式功率半導體創新技術方麵為高效牽引逆變器在效率


、成本和可持續性之間尋找更好的平衡點。

SiC mosfet 和Si IGBT 的性能對比

在探討新能源車的牽引逆變器功率器件首選是SiC還是Si 器件之前，我們先簡單對比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性：

從導通特性看

，由於不同的物理結構，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。SiC MOSFET導通特性表現得更像一個電阻輸出特性，而IGBT 則表現出一個非常明顯的拐點(Knee Voltage)特性。這種技術上的差異即表現出兩種器件不同的導通損耗特點。在電流較小時
，SiC mosfet 具有更小的導通損耗，當電流較大（超過曲線交點）時，IGBT 的導通損耗則更小。

從開關特性看，IGBT屬於雙極性器件
，在關斷時由於少子的複合肯定會造成拖尾電流，使其開關損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關損耗對比IGBT具明顯優勢。

綜上
，SiC MOSFET器件並不是在所有負載條件下，都具有壓倒性的性能優勢。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時需要考慮一個盈虧平衡點。

新能源車動力配置布局

新能源電動汽車的性能分配有多種選擇，主流方案就是在主驅動軸和副驅動軸之間進行分配。在我們的示例中（圖3），zhuqudongzhoushizhongchuyuniehezhuangtai，manzudigonglvchangguixuhangjiashimoshi，fuqudongzhouketigongewainiuju，shixiansilunqudongnenglihezuijiajiasuxingneng。dangqianshichangshangkeyikandaodepeizhijibenfenwei 1)主驅動軸和輔驅動軸均采用了SiC功率器件; 2)主驅動軸采用高性能SiC 功率器件，而輔驅動軸則采用更具性價比的IGBT功gong率lv器qi件jian。這zhe也ye是shi當dang今jin電dian動dong汽qi車che的de典dian型xing配pei置zhi，這zhe些xie方fang案an均jun是shi建jian立li在zai逆ni變bian器qi中zhong使shi用yong單dan一yi的de功gong率lv器qi件jian
，較jiao難nan做zuo到dao效xiao率lv和he成cheng本ben之zhi間jian的de平ping衡heng。在zai評ping估gu上shang述shu方fang案an的de優you劣lie之zhi前qian，我wo們men需xu要yao先xian從cong電dian動dong汽qi車che的de駕jia駛shi工gong況kuang來lai分fen析xi。真zhen實shi的de駕jia駛shi工gong況kuang對dui牽qian引yin逆ni變bian器qi的de需xu求qiu是shi什shen麼me？

標準駕駛工況WLTP 與峰值性能需求

全球輕型汽車測試程序（WLTP）的駕駛周期反映了接近真實的駕駛任務。通過標準化，它為電動車製造商和消費者提供了比較不同車輛效率的參考值。

對於電動汽車來說，它以一定距離的能量消耗來表示，比如100 公裏消耗10 千瓦，或者以"每加侖汽油當量英裏數"（MPGe）來表示，這一指標也可以與傳統內燃機汽車進行比較。

WLTP 駕駛循環（圖4）與其他任務剖麵圖類似
，由23.3 公裏距離內1800 秒的各種加速、減速和性能周期組成。鑒於駕駛方式的不同
，對於WLTP 是否反映了真實世界的駕駛情況存在不同意見。但它適合作為評定汽車效率的依據。WLTP 任務描述允許電動車製造商計算特定車輛所需的電機性能及其關鍵參數，如重量、風阻、駕駛效率
、加速度和能量回收。

從上麵的WLTP 典型的駕駛工況曲線來看，超過105km/h高速工況需求的時間占比大約隻有10%左右
，而大約3/4的時間內車速需求是小於75km/h。

以一輛重1500 千克的汽車為例，計算出的數值繪製成直方圖（圖5）。該圖表顯示，電動車牽引逆變器的最大輸出功率需要約50 KW。這說明對於電動汽車的加速
、達到峰值速度所需的實際功率是非常小的。在發電模式下（見圖5 中的紫色條）

，最大功率約為28 KW。

性能與成本

——Si還是SiC，主驅逆變器如何選擇？

我(wo)們(men)知(zhi)道(dao)，牽(qian)引(yin)逆(ni)變(bian)器(qi)對(dui)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)和(he)效(xiao)率(lv)起(qi)著(zhe)決(jue)定(ding)性(xing)作(zuo)用(yong)。更(geng)仔(zai)細(xi)地(di)審(shen)視(shi)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)設(she)計(ji)，成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)和(he)合(he)理(li)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)以(yi)及(ji)合(he)理(li)的(de)效(xiao)率(lv)水(shui)平(ping)是(shi)麵(mian)向(xiang)更(geng)廣(guang)泛(fan)市(shi)場(chang)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)取(qu)得(de)成(cheng)功(gong)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。在(zai)這(zhe)個(ge)層(ceng)麵(mian)上(shang)，簡(jian)單(dan)地(di)說(shuo)，我(wo)們(men)要(yao)評(ping)估(gu)的(de)是(shi)整(zheng)個(ge)驅(qu)動(dong)任(ren)務(wu)剖(pou)麵(mian)的(de)最(zui)低(di)性(xing)能(neng)和(he)所(suo)需(xu)的(de)峰(feng)值(zhi)性(xing)能(neng)。

這些分析將可以更好地讓我們理解哪種半導體技術（Si 或SiC）更適合。

在前麵的例子中
，80 KW的電機可以執行標準的WLTP 驅動循環，從而滿足大多數駕駛要求。如果使用碳化矽來提高汽車的額定功率，那麼多餘的功率在大多數情況下都會被"閑置"。但是在某些情況下
，80 KW可能不足以實現"有趣動感"（運動型）的駕駛體驗。因此
，可以添加一些矽來提高車輛的峰值性能。例如

，矽部件能夠額外提供160千瓦的功率。這將使汽車具有非常動感的駕駛加速性能。在另一方麵

，這些數值可以縮減到40 kW SiC 和80 kW Si，從而實現120kW 的入門級電動汽車功率。

至於如何在牽引逆變器內分配Si 和SiC 芯片，取決於研發設計師。鑒於有多種選擇
，深入研究一下電力傳動係統的配置是很有意義的。

對於動力傳動係統，尤其是牽引逆變器
，不同的技術方案具有不同的效率
、性能和成本優勢，如下1~5配置。

1. 單電驅，高性能和長續航要求---大功率碳化矽逆變器

2. 單電驅，適當調整車輛性能---小功率碳化矽逆變器

3. 單電驅，成本優化的解決方案---IGBT逆變器

4. 雙電驅，高性能和長續航要求---SIC逆變器作為主驅續航

，IGBT 逆變器作為輔驅 提供加速動力

5. 新型電驅，成本優化

，高性能和長續航要求----單逆變器中融合SiC+IGBT，SiC維持高效率續航運行
，SiC+IGBT 提供峰值搞性能

雙電驅的優點眾所周知，下圖7 對此進行了總結。其設計的初衷
，SiC在中小功率等級使用時具有更低的損耗、更高的效率

，而IGBT在大功率輸出時相對更有優勢。為了充分發揮SiC和IGBT 各自的優點，雙電驅可以采用不同半導體器件進行搭配。

. 主驅使用SiC, 保持持續運行且覆蓋90%以上的WLTP驅動周期。

. 輔驅采用IGBT，提供額外的扭矩，以提供4輪驅動能力和最大性能。

在這種配置（圖6中 配置2 + 配置3 的組合）中，使用了Si 和SiC 技術，但部署在不同的電驅上。

電動車係統的牽引逆變器中Si和SiC 布局

融合技術？——將Si和 SiC融合在同一個牽引逆變器

上個章節講到電動汽車的性能分配有多種選擇

，最明顯的就是在主驅動橋和副驅動橋之間進行分配。在我們的示例中（圖8），配置1 和2 在後軸或前軸上使用了全部的碳化矽。而配置3 和4 則ze使shi用yong了le融rong合he技ji術shu牽qian引yin逆ni變bian器qi。這zhe些xie方fang案an在zai效xiao率lv和he成cheng本ben之zhi間jian可ke以yi實shi現xian良liang好hao的de平ping衡heng。在zai融rong合he技ji術shu中zhong，矽gui芯xin片pian和he碳tan化hua矽gui芯xin片pian在zai同tong一yi牽qian引yin逆ni變bian器qi中zhong並bing行xing運yun行xing。為wei了le理li解jie為wei什shen麼me融rong合he技ji術shu牽qian引yin逆ni變bian器qi的de效xiao率lv比bi其qi他ta配pei置zhi更geng高gao
，讓rang我wo們men更geng深shen入ru地di了le解jie一yi下xia不bu同tong的de驅qu動dong情qing況kuang。

我們可以仔細觀察融合技術牽引逆變器內部的能量流（圖9）。在標準負載下，後軸上的SiC 用於加速，而前後軸上的SiC（66% 至33% 的份額）用於平穩減速。這種負載情況與大多數駕駛條件和WLTP 測試條件相當，加速和減速完全由SiC 和所需的電驅控製。當功率需求達到更高峰值水平時，加速時需要使用額外的Si。由於Si在高負載時具有更高的效率，因此此處僅使用Si進行能量回收。

總而言之：融合技術牽引逆變器最有效地利用了不同半導體功率器件的不同優勢，從而可以為高效、經濟的電動汽車做出了的貢獻。

不同的驅動控製策略實現融合技術

在牽引逆變器中的應用

根據上述原理，這些技術可以通過不同的組合方式實現不同的目標。那如何考慮其驅動策略？

在隻使用一種半導體技術的標準牽引逆變器中，由於隻使用了Si 或SiC，因此不需要特別的驅動策略。但融合技術牽引逆變器采用了Si和SIC並聯運行
，因此也需要特殊的驅動控製策略。

下圖概述了融合技術牽引逆變器的不同運行模式下， SiC 和Si 半導體的不同驅動運行方式。

獨立運行（"Ex"）

第一種選擇是獨立運行模式，即單一時刻隻有一種半導體（Si或SiC）運行。以上麵的示例參考，SiC 專門用於所有低於 80 kW 的功率需求。如果車輛要求牽引逆變器提供超過 80 kW 的輸出功率，SiC MOSFET將被關閉，取而代之的是 Si IGBT運行。示例中逆變器中的碳化矽部分對最大輸出功率沒有貢獻，這顯然是該方案的主要缺點。要實現 獨立運行"排他性操作"
，則需要兩個柵極信號（"Ex2G"）來獨立控製兩種半導體器件。

並行控製（"S"）

在這裏，Si和SiCzongshibinglianshiyong。zhekefuleduliyunxingmoshidequedian。yigezhajixinhaoyongyuzailiangzhongjishuzhijianqiehuan。zhajilujingdetiaozhengduiyupipeikaiqiheguanbixingweiyijishixianshidangdeshuntaixingweishifenbiyao。bixutongguoshejihejishuquebaosuoyoudulikaiguanzhijiandedianliugongxiang。raner，yiVds電壓低於0.7 V 為wei例li
，碳tan化hua矽gui區qu域yu將jiang傳chuan導dao大da部bu分fen電dian流liu，超chao過guo這zhe一yi限xian製zhi後hou
，矽gui將jiang增zeng加jia其qi電dian流liu份fen額e。通tong過guo設she置zhi芯xin片pian區qu域yu的de尺chi寸cun
，可ke以yi優you化hua這zhe些xie值zhi

，以yi實shi現xian效xiao率lv和he驅qu動dong能neng力li需xu求qiu。

並行模式有兩種實施方案——單柵極方案（S1G）或雙柵極方案（S2G）。由於兩種半導體同時運行

，一個柵極驅動就足夠了。在調整技術時
，設計人員可以自由選擇從微控製器發出一個PWM 信號，然後通過一個柵極驅動器和外部適配電路將PWM輸送到兩個柵極（S2G）；或者隻使用一個柵極驅動器和一個柵極引腳（S1G），而在功率模塊中對驅動信號進行獨立匹配。對於用戶來說
，S1G 是一種相當方便的解決方案，但與S2G 相比，改變參數的自由度較低。

單獨控製（"In"）

第三種方案需要獨立控製兩種半導體芯片。這需要為每組開關提供兩個PWM 信號。這種模式的優點是可對兩種開關進行優化調整，並可在控製策略內在線自由調整PWM 模式。由於SiC的開關速度可能比Sikuai
，yincikeyitiaojiebutongdedaotongheguanduanshike，yiyouhuashuntaidianliufendan，zuidaxiandudijianshaomeizhongbandaotixinpiandeguozai。genjushiyongqingkuang，youcichanshengdecaozuokezaiduzhanmoshihetongbumoshizhijianwufengqiehuan。zaifashengguzhangshi，shenzhikeyishixianyizhong"跛行回家"模式
，即關閉一種半導體芯片的運行，係統切換到剩餘的半導體芯片運行

，做到"跛行回家"。

單獨控製模式需要兩個柵極（In2G），因此設置更為複雜
，但另一方麵，它充分利用了融合技術牽引逆變器的優勢。它還提供了兩種技術之間的冗餘（故障切換）。

不同的實施模式有何不同？

圖10 顯示了不同的融合技術牽引逆變器驅動策略的實現方法
，使我們能夠識別和比較這些不同。圖11 總zong結jie了le每mei種zhong實shi施shi方fang法fa的de優you勢shi和he挑tiao戰zhan。如ru圖tu所suo示shi，每mei種zhong控kong製zhi策ce略lve在zai某mou些xie用yong例li中zhong都dou具ju有you優you勢shi和he缺que點dian。合he適shi的de產chan品pin和he工gong程cheng能neng力li往wang往wang決jue定ding了le實shi施shi的de可ke行xing性xing。基ji於yu這zhe些xie邊bian界jie條tiao件jian
，不bu同tong的de細xi分fen市shi場chang將jiang可ke以yi采cai用yong不bu同tong的de融rong合he技ji術shu牽qian引yin逆ni變bian器qi控kong製zhi策ce略lve。

單獨控製模式（In2G）是一個不錯的驅動策略，因為它具有充分的靈活性
，為高度複雜的軟件策略打開了大門，可優化不同半導體開關技術的電氣效率、BOM、成本和使用壽命等變量。這種模式甚至可以支持"故障運行"功能。因此，融合技術牽引逆變器的優勢不僅限於最初明顯的成本和材料可用性優勢，還能為未來的新能源汽車提供新的技術方向。

Si和SiC融合技術將是一種非常有效的解決方案
，可以瞄準需要在效率
、成本和可用性之間取得良好平衡的細分市場。

英飛淩目前正在擴大其產品組合，以充分發揮融合技術在逆變器應用中的優勢。從Si 和SiC 裸芯片到分立器件
、功率模塊，再到支持兩種技術的混合模塊，英飛淩的產品範圍十分廣泛。

英飛淩第一款750V Si/SiC 混合功率模塊已經麵向市場推廣。英飛淩利用其最新Si和SiC芯片開關性能良好的匹配特性，第一款 混合功率模塊可以采用常規單通道驅動模式，不增加係統控製複雜性 同時電控係統的性能可以獲得提升。如下圖所示，根據仿真175KW 400V BEV 電驅平台 采用英飛淩混合模塊對比采用純IGBT 模塊，WLTP工況駕駛裏程可以提高2.9% 。

 （作者：Devin XU
，本文轉載自：英飛淩汽車電子生態圈）

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