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电子发烧友网报道(文/李宁远)就像许多手机用户会有续航焦虑症一样,在电动汽车像智能手机一样普及的今天,许多电动汽车用户患上了里程焦虑症,总是希望电动汽车拥有更高的驾驶性能和更长的续航里程。

想要延长车辆的续航里程,从电池着手自然是其中一种选择,增加电池尺寸从而增加电池容量以此增强车辆的续航能力。这种改进发生在电气层面,在能效没有显著提高的情况下,这种改进是以车辆成本和重量为代价的。

牵引逆变器,电动汽车动力总成系统中的关键

电动汽车在电池系统上的创新我们已经见过很多了,作为和驾驶体验以及里程续航同样息息相关的牵引电机层面反而提起的次数并不如电池那么多。车载逆变器将来自车载高压电池的直流电转换为交流电提供控制扭矩和速度的动力以驱动电动汽车的主电机,可以说其对电动汽车的续航里程、性能和驾驶体验的影响最大。混合动力汽车和电动汽车的牵引式逆变器的设计,可以在保持功率密度的同时,提高电机速,达到更高的效率和更小的系统尺寸,让电动汽车具有更长的续航里程以及更好性能的驾驶体验。

在电动汽车的动力总成系统中,由于电池提供的是DC直流电,而牵引电机只接收AC交流电,牵引AC/DC逆变器的效率就成为了提高动力传动系统能源效率的关键,能效的提高可以减少千瓦损耗,从而使车辆有更多可利用的能量保证续航。

现阶段大部分车型上在主驱逆变器的元器件上采用的都是基于硅基IGBT功率模块,在目前的400V架构下,牵引逆变器硅基IGBT功率模块的最大承压为650V。为了在不影响功率水平的情况下延长驾驶里程,减少电机的尺寸和重量,牵引电机需要能够以更高的速度运行(>30,000 rpm)。这意味着需要快速的传感和处理,以及有效的直流到交流电压的转换。为了实现目标,牵引逆变器的设计开始使用先更先进的控制算法、在功率级的开关晶体管上使用碳化硅MOSFET并使用高压800V电池集成多个子系统以获得高功率密度。

牵引逆变器高压功率开关从IGBT向碳化硅的转变

推动电动汽车实现更高的性能,牵引逆变器高压功率开关从IGBT向碳化硅的转变绝对是最大且最重要的转变,相较于400V系统,800V的电机能以每分钟两倍的转速运行。碳化硅比IGBT更高效,进一步提高电池包储存能量的利用率,此外,碳化硅比IGBT更小,运行温度更低,进一步减轻了驱动系统的重量、缩小了机械尺寸还能减少能源损耗。

具体来看,由MCU和电流感应回路产生的控制信号被馈送到功率级,这是电池和电机之间的连接。功率级包括一个高压直流母线,由一个大的电容器组绑定到三个相的功率晶体管(IGBT或碳化硅MOSFET)。当将直流电压转换为交流电时,功率级的功率损耗要保证足够小来提升汽车的电机控制性能,而且功率级更小的尺寸也便于有效地使用电池,从而增加车辆的行驶范围。提高大功率电子系统的功率密度后更小的电路板能输出更大的能量,从而减小功率转换系统、电机和牵引逆变器的尺寸。

800V高压架构作为下一代电动车主流平台,以低成本和高效率系统获得众多汽车集团和品牌的青睐,海外现代起亚、大众集团、奔驰、宝马等,国内比亚迪、吉利、极狐、现代、广汽、小鹏等均重点布局800V高压平台。半导体厂商在牵引逆变器的碳化硅应用里也在不断创新。

英飞凌就推出了针对电动汽车牵引逆变器应用进行优化后的汽车级碳化硅功率模块HybridPACK Drive CoolSiC,一款具有1200 V阻断电压、且适用于电动汽车牵引逆变器的全桥模块。该功率模块采用车规级CoolSiC沟槽栅MOSFET技术,特别适用于800 V电池系统及更高电池容量的电动汽车。与英飞凌前一代采用硅基EDT2技术的HybridPACK Drive相比,CoolSiC系列的碳化硅沟槽栅MOSFET技术与平面结构技术相比,沟槽栅结构可实现更高的单元密度。采用HybridPACK Drive CoolSiC的牵引逆变器能够在1200 V等级下实现高达250 kW的功率。根据现代汽车电气化开发团队负责人的说法,通过使用基于英飞凌 CoolSiC功率模块的牵引逆变器,车辆的行驶里程增加5%以上。

ROHM的第4代碳化硅MOSFET在主机逆变器的应用也不少,其低导通电阻与短路耐受时间一直是业界领先的。ROHM的第4代碳化硅进一步强化了第3代中的确立的沟槽栅结构,导通电阻继续降低约40%,开关损耗继续降低约50%,这些特性明显延长了电动汽车的行驶距离和小型化电池。根据ROHM发布的第4代碳化硅应用优势白皮书,将碳化硅应用在牵引逆变器上时,WLTC燃效测试显示燃效可以改善最多10%,尤其是在频繁出现高扭矩、低转速的区域。

根据ST的报告,2020年新的功率技术在动力总成系统中占市场的40%,到2025年就会超过50%,其中碳化硅在其中的比重更是高达这50%的1/4。ST本身也在碳化硅应用领域布局已久。ST自有的碳化硅技术和产品现在已经发展到了第三代,也就是第三代超高速系列,在前两代的基础之上优化了Ron和Qg两个参数,更加适合高频应用。其自家方案,碳化硅逆变器(210KW牵引逆变器,1200VSiC MOSFET)相比IGBT逆变器,碳化硅牵引逆变器在95%的工况里都能保持98%以上的能效,而IGBT逆变器仅在90%左右。

随着碳化硅器件与技术的渗透,以及全球几大主要的电动汽车市场对传动系统中拥有更高效率逆变器的需求,碳化硅牵引逆变器领域增长空间巨大。

牵引逆变器转向碳化硅的挑战

牵引逆变器转向碳化硅无疑可以推动电动汽车实现更高的性能,但是向碳化硅的转变也会带来新的挑战。与IGBT相比,碳化硅更容易因短路而损坏,碳化硅高开关速度产生的更高的系统电噪声也是汽车复杂电子环境里不小的风险。

因此电动汽车的牵引逆变器在转向碳化硅的同时需要更合适的栅极驱动技术来配合。针对碳化硅,栅极驱动必须尽可能降低包括开启和关断能量在内的导通和关断损耗。利用栅电阻控制栅驱动器的输出源和汇电流有助于优化dv/dt和功率损耗。栅极驱动必须以大电流驱动MOSFET栅极,从而增加或去除栅极电荷,进而减少功率损耗,在牵引逆变器转向碳化硅的过程中,很需要大电流栅极驱动的配合。

隔离也是解决高水平噪声的必备的,汽车动力系统高水平的噪声和振动需要隔离栅极驱动具有非常好的CMTI性能。通过消除脉冲转换器或外部分立隔离器,隔离驱动还能够减少PCB空间、进一步减轻车辆重量并节省成本。

写在最后

对电动汽车动力总成系统来说,牵引逆变器的进步正在进一步推动电动汽车性能的升级。碳化硅牵引逆变器更高的开关频率直接优化了性能、重量和功率密度,也为采用更轻、更快的电机铺平了道路。

来源:电子发烧友网


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