電動汽車終將成為人們首選的交通方式。從外觀上看，電動汽車和現(xiàn)在馬路上遍布的汽車毫無區(qū)別。有區(qū)別的是內部電機和能量的交換方式，其中涉及許多權衡取舍。本博文探討了電動汽車在保持效率、整體性能和行駛里程時的設計考慮因素。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務擴展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

電動汽車發(fā)展的勢頭已經(jīng)達到了一個拐點，我們很難想象未來道路上沒有多少輛電動汽車的情景。這不僅大大改變了我們的購買偏好和駕駛習慣，還改變了我們對汽車的看法。

我們來想象一下 Henry Ford 之前的世界。那時加油的地方非常少，所以早期的車主通常會把油罐綁在汽車的外面。里程焦慮也是家常便飯。然而，很少有人會考慮給內燃機汽車加油需要多長時間。畢竟，這總比給馬喂食喂水來得快。事實上，這可能是擁有汽車的一個主要吸引力；因為我們并不需要考慮太多。機械部件取代了馬夫，實際的擁有成本最終會變得顯而易見，但車輪已經(jīng)轉動起來了。

此時，轉動車輪不僅僅是一個比喻，這也是汽車的意義所在。電動汽車意味著車輪是通過電機驅動而不是由活塞式發(fā)動機驅動，但目標卻是一樣的。然而能量交換方式卻存在明顯的不同。在內燃機中，化學能（燃油）會轉化為動能（運動），動能隨后會轉化為所有能量的熵態(tài)，即熱量，以實現(xiàn)車輛的移動。

對于電動汽車，這個過程中還有另一個階段，即捕獲未使用的動能。此過程被稱為再生制動，但它真正的意思是，利用車輛的動力來轉動電機，而不是讓電機賦予車輛動力。這樣電機就變成了發(fā)電機，而產(chǎn)生的電力又會反饋到電池。如此便能增加電動汽車的行駛里程，具體的增幅在很大程度上取決于再生階段的效率。

經(jīng)過優(yōu)化的電機/發(fā)電機在電機和發(fā)動機模式下都非常高效。逆變是另一個關鍵階段。逆變器電路負責將電池輸出的高電壓轉換為交流電 (AC)，以便驅動電機。AC 波形的幅度和頻率決定了轉速。通常，牽引電機為三相電機，所以逆變器需要將直流電池電壓轉變?yōu)槿齻€ AC 循環(huán)。比如將 800 V DC 轉換為大約 180 kW AC，因此，這一階段的效率對于汽車制造商提供的整體性能和行駛里程至關重要。

不出所料，這就是設計工作的重點所在。盡可能提高逆變器的效率需要使用損耗最低的組件。到目前為止，IGBT 在傳導損耗方面占據(jù)優(yōu)勢，只是其關斷開關損耗更為顯著。因為典型的電機驅動開關頻率相對較低，所以這是一個不錯的折衷選擇，并且 IGBT 的成本也較低。而碳化硅 (SiC) FET憑借其更低的開關損耗和傳導損耗，已在該應用領域穩(wěn)步取代了IGBT。究其原因主要有兩方面。首先，如前所述，由于會收集雙極電流的電荷，所以 IGBT 的關斷速度比較慢。另一方面，由于只有電子流動，所以 SiC FET 的導通和關斷開關速度較快，因此其開關損耗也比較低。更重要的是，IGBT 的電流路徑中通常會存在一個 PN 結，這可能來自于 IGBT 本身或其反并聯(lián)二極管，分別形成于正向或反向導通期間。由于 SiC 材料的電阻更低，且消除了 PN 結壓降，所以 SiC FET 不僅在所有電流電平下都具有更低的傳導損耗，而且在電動汽車最常運行的低功率下也具有明顯優(yōu)勢。SiC FET 無需反并聯(lián)二極管，因此不存在正向或反向電流的 “拐點” 電壓（在開關死區(qū)時間之后）。

工作模式與功率系數(shù) (PF) 相關。如果 PF 為正，則電路處于逆變模式，需要從電池獲取能量來驅動電機。如果 PF 為負，則電路處于整流模式，此時會將能量反饋至電池。理想情況下，PF 應盡可能接近 +1 或 -1，以實現(xiàn)效率最大化。

改變 PF 會凸顯出所用 FET 的損耗。損耗的關鍵指標是正向和反向傳導損耗，以及導通和關斷開關損耗。這四項相加便得到了各個 FET 的總損耗。在逆變模式或整流模式下，大多數(shù)傳導損耗分別產(chǎn)生于正向或反向電流。請注意，正向電流是指從漏極流至源極（對于 IGBT 來說，是從集電極流至發(fā)射極）的電流。用于電機驅動的 IGBT 只進行正向傳導，所以需要一個反并聯(lián)二極管來傳導反向電流。因此根據(jù)電流方向的不同，傳導損耗以及 IGBT 與二極管的發(fā)熱狀況也會有所差異。另一方面，SiC FET 在相同的傳導損耗（在死區(qū)時間后）下，通過相同的芯片傳導正向和反向電流，所以芯片利用率更高，功率密度也更高。

碳化硅(SiC) FET

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