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電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）就像許多手機用戶會有續(xù)航焦慮癥一樣，在電動汽車像智能手機一樣普及的今天，許多電動汽車用戶患上了里程焦慮癥，總是希望電動汽車擁有更高的駕駛性能和更長的續(xù)航里程。

想要延長車輛的續(xù)航里程，從電池著手自然是其中一種選擇，增加電池尺寸從而增加電池容量以此增強車輛的續(xù)航能力。這種改進發(fā)生在電氣層面，在能效沒有顯著提高的情況下，這種改進是以車輛成本和重量為代價的。

牽引逆變器，電動汽車動力總成系統(tǒng)中的關(guān)鍵

電動汽車在電池系統(tǒng)上的創(chuàng)新我們已經(jīng)見過很多了，作為和駕駛體驗以及里程續(xù)航同樣息息相關(guān)的牽引電機層面反而提起的次數(shù)并不如電池那么多。車載逆變器將來自車載高壓電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電提供控制扭矩和速度的動力以驅(qū)動電動汽車的主電機，可以說其對電動汽車的續(xù)航里程、性能和駕駛體驗的影響最大?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠嚨臓恳侥孀兤鞯脑O(shè)計，可以在保持功率密度的同時，提高電機速，達到更高的效率和更小的系統(tǒng)尺寸，讓電動汽車具有更長的續(xù)航里程以及更好性能的駕駛體驗。在電動汽車的動力總成系統(tǒng)中，由于電池提供的是DC直流電，而牽引電機只接收AC交流電，牽引AC/DC逆變器的效率就成為了提高動力傳動系統(tǒng)能源效率的關(guān)鍵，能效的提高可以減少千瓦損耗，從而使車輛有更多可利用的能量保證續(xù)航。現(xiàn)階段大部分車型上在主驅(qū)逆變器的元器件上采用的都是基于硅基IGBT功率模塊，在目前的400V架構(gòu)下，牽引逆變器硅基IGBT功率模塊的最大承壓為650V。為了在不影響功率水平的情況下延長駕駛里程，減少電機的尺寸和重量，牽引電機需要能夠以更高的速度運行（>30,000 rpm）。這意味著需要快速的傳感和處理，以及有效的直流到交流電壓的轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)目標，牽引逆變器的設(shè)計開始使用先更先進的控制算法、在功率級的開關(guān)晶體管上使用碳化硅MOSFET并使用高壓800V電池集成多個子系統(tǒng)以獲得高功率密度。

牽引逆變器高壓功率開關(guān)從IGBT向碳化硅的轉(zhuǎn)變推動電動汽車實現(xiàn)更高的性能，牽引逆變器高壓功率開關(guān)從IGBT向碳化硅的轉(zhuǎn)變絕對是最大且最重要的轉(zhuǎn)變，相較于400V系統(tǒng)，800V的電機能以每分鐘兩倍的轉(zhuǎn)速運行。碳化硅比IGBT更高效，進一步提高電池包儲存能量的利用率，此外，碳化硅比IGBT更小，運行溫度更低，進一步減輕了驅(qū)動系統(tǒng)的重量、縮小了機械尺寸還能減少能源損耗。具體來看，由MCU和電流感應回路產(chǎn)生的控制信號被饋送到功率級，這是電池和電機之間的連接。功率級包括一個高壓直流母線，由一個大的電容器組綁定到三個相的功率晶體管（IGBT或碳化硅MOSFET）。當將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電時，功率級的功率損耗要保證足夠小來提升汽車的電機控制性能，而且功率級更小的尺寸也便于有效地使用電池，從而增加車輛的行駛范圍。提高大功率電子系統(tǒng)的功率密度后更小的電路板能輸出更大的能量，從而減小功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機和牽引逆變器的尺寸。 800V高壓架構(gòu)作為下一代電動車主流平臺，以低成本和高效率系統(tǒng)獲得眾多汽車集團和品牌的青睞，海外現(xiàn)代起亞、大眾集團、奔馳、寶馬等，國內(nèi)比亞迪、吉利、極狐、現(xiàn)代、廣汽、小鵬等均重點布局800V高壓平臺。半導體廠商在牽引逆變器的碳化硅應用里也在不斷創(chuàng)新。英飛凌就推出了針對電動汽車牽引逆變器應用進行優(yōu)化后的汽車級碳化硅功率模塊HybridPACK Drive CoolSiC，一款具有1200 V阻斷電壓、且適用于電動汽車牽引逆變器的全橋模塊。該功率模塊采用車規(guī)級CoolSiC溝槽柵MOSFET技術(shù)，特別適用于800 V電池系統(tǒng)及更高電池容量的電動汽車。與英飛凌前一代采用硅基EDT2技術(shù)的HybridPACK Drive相比，CoolSiC系列的碳化硅溝槽柵MOSFET技術(shù)與平面結(jié)構(gòu)技術(shù)相比，溝槽柵結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)更高的單元密度。采用HybridPACK Drive CoolSiC的牽引逆變器能夠在1200 V等級下實現(xiàn)高達250 kW的功率。根據(jù)現(xiàn)代汽車電氣化開發(fā)團隊負責人的說法，通過使用基于英飛凌 CoolSiC功率模塊的牽引逆變器，車輛的行駛里程增加5%以上。 ROHM的第4代碳化硅MOSFET在主機逆變器的應用也不少，其低導通電阻與短路耐受時間一直是業(yè)界領(lǐng)先的。ROHM的第4代碳化硅進一步強化了第3代中的確立的溝槽柵結(jié)構(gòu)，導通電阻繼續(xù)降低約40%，開關(guān)損耗繼續(xù)降低約50%，這些特性明顯延長了電動汽車的行駛距離和小型化電池。根據(jù)ROHM發(fā)布的第4代碳化硅應用優(yōu)勢白皮書，將碳化硅應用在牽引逆變器上時，WLTC燃效測試顯示燃效可以改善最多10%，尤其是在頻繁出現(xiàn)高扭矩、低轉(zhuǎn)速的區(qū)域。根據(jù)ST的報告，2020年新的功率技術(shù)在動力總成系統(tǒng)中占市場的40%，到2025年就會超過50%，其中碳化硅在其中的比重更是高達這50%的1/4。ST本身也在碳化硅應用領(lǐng)域布局已久。ST自有的碳化硅技術(shù)和產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三代，也就是第三代超高速系列，在前兩代的基礎(chǔ)之上優(yōu)化了Ron和Qg兩個參數(shù)，更加適合高頻應用。其自家方案，碳化硅逆變器（210KW牽引逆變器，1200VSiC MOSFET）相比IGBT逆變器，碳化硅牽引逆變器在95%的工況里都能保持98%以上的能效，而IGBT逆變器僅在90%左右。隨著碳化硅器件與技術(shù)的滲透，以及全球幾大主要的電動汽車市場對傳動系統(tǒng)中擁有更高效率逆變器的需求，碳化硅牽引逆變器領(lǐng)域增長空間巨大。

牽引逆變器轉(zhuǎn)向碳化硅的挑戰(zhàn)牽引逆變器轉(zhuǎn)向碳化硅無疑可以推動電動汽車實現(xiàn)更高的性能，但是向碳化硅的轉(zhuǎn)變也會帶來新的挑戰(zhàn)。與IGBT相比，碳化硅更容易因短路而損壞，碳化硅高開關(guān)速度產(chǎn)生的更高的系統(tǒng)電噪聲也是汽車復雜電子環(huán)境里不小的風險。因此電動汽車的牽引逆變器在轉(zhuǎn)向碳化硅的同時需要更合適的柵極驅(qū)動技術(shù)來配合。針對碳化硅，柵極驅(qū)動必須盡可能降低包括開啟和關(guān)斷能量在內(nèi)的導通和關(guān)斷損耗。利用柵電阻控制柵驅(qū)動器的輸出源和匯電流有助于優(yōu)化dv/dt和功率損耗。柵極驅(qū)動必須以大電流驅(qū)動MOSFET柵極，從而增加或去除柵極電荷，進而減少功率損耗，在牽引逆變器轉(zhuǎn)向碳化硅的過程中，很需要大電流柵極驅(qū)動的配合。隔離也是解決高水平噪聲的必備的，汽車動力系統(tǒng)高水平的噪聲和振動需要隔離柵極驅(qū)動具有非常好的CMTI性能。通過消除脈沖轉(zhuǎn)換器或外部分立隔離器，隔離驅(qū)動還能夠減少PCB空間、進一步減輕車輛重量并節(jié)省成本。

寫在最后對電動汽車動力總成系統(tǒng)來說，牽引逆變器的進步正在進一步推動電動汽車性能的升級。碳化硅牽引逆變器更高的開關(guān)頻率直接優(yōu)化了性能、重量和功率密度，也為采用更輕、更快的電機鋪平了道路。

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原文標題：?汽車動力總成系統(tǒng)如何提升駕駛體驗？牽引逆變器從IGBT向碳化硅轉(zhuǎn)變

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