新能源汽車的核心部件碳化硅逆變器

流電能轉(zhuǎn)換電機(jī)需要的交流電，還能在制動過程中將電動機(jī)回收的交流電轉(zhuǎn)換為直流電提供給電池使用。每臺逆變器里都有一個(gè)電源模塊，通常由六個(gè)電源半導(dǎo)體開關(guān)組成，用于將電能從電池組傳輸?shù)诫妱訖C(jī)，反之亦然。高電壓的逆變器可以為電動汽車提供更高功率，增強(qiáng)電壓靈活性，同時(shí)縮小電池包尺寸，縮短電動汽車充電時(shí)間，并且提高續(xù)航里|博格華納800V碳化硅逆變器2021年上海車展上，博格華納完成對德爾?？萍际召徍笫状沃匕醪└袢A納將展出高壓碳化硅(SiC)逆變器。碳化硅電源開關(guān)用于800V應(yīng)用的逆變器，使用了Viper的專利碳了30%整體尺寸，提高了25%功率密度。|Pre-Switch公司3顆分立的低成本35mΩSiCMOSFET的是，在100kHz時(shí)，其200kW的CleanWave200評估型逆變器的效率超過99.3％，更為重要的是，每個(gè)開關(guān)位置僅使用3顆分立的低成本35mΩSiCMOSFET。1.碳化硅制成的逆變器是電動汽車的核心部件。下面，我將帶你進(jìn)一步了解碳化硅器件是如何組成逆變器的。這一切，仍舊要回歸逆變器的功能——將直流電（DC）轉(zhuǎn)化為正弦交流電（AC）。如下圖所示，左邊為直流電，而右邊為正弦交流電——隨著時(shí)間這個(gè)涉及到兩步，第一步是產(chǎn)生方形交流電，第二步使得方形成第一步：產(chǎn)生方形交流電。其實(shí)一開始使用的交流電沒有這么多的變化，波形如下圖所示。要實(shí)現(xiàn)方形交流電，由波形就可以看出，只要讓流經(jīng)電動機(jī)的電為了實(shí)現(xiàn)這樣的效果，有這么一種四個(gè)開關(guān)的電路，如下圖所示，標(biāo)準(zhǔn)的名字呢，是全橋逆變電路。過電動機(jī)的電流不斷的從正到負(fù)變換了。這就是產(chǎn)生方波交流電的原理。每切換兩次開關(guān)，就是一次交流電的周期。如果你一秒切換兩次，那么輸出的交流電的頻率就是1Hz。國），而無線電技術(shù)中涉及的交流電頻率一般較大，達(dá)到kHz，這么高的切換速度，沒有人可以做到，而這樣的開關(guān)，所有的機(jī)MOSFET每秒可以開關(guān)數(shù)千次，而使用SiC制成的MOSFET更是可以承受kHz以上的頻率，這就是所謂的高頻器件。這樣，我們就完成了第一步，使用四個(gè)MOSFET制成的開關(guān)電路但是，方波切換的不連續(xù)，會使得電動機(jī)的損耗大大增加，甚至接下來，就是將方形交流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電。第二步：將方形交流電轉(zhuǎn)化為正弦交流電這里需要用到的技術(shù)叫做脈沖寬度調(diào)制——也就是改變切換開關(guān)脈沖寬度調(diào)節(jié)的越小，得到的信號就越接近正弦波。比較器的第一個(gè)作用是防止電路短路，也就是開關(guān)S1和S2是不會不會同時(shí)開通，開關(guān)S3和S4是不會不會同時(shí)開通；第二個(gè)作用是比較三角波交流電和正弦波交流電（這兩個(gè)信號來源于其他電路），形成電動機(jī)的電壓差，也就是控制MOSFET的這些電路就是邏輯電路，同樣可以使用SiC器件實(shí)現(xiàn)。為了使得曲線更加平滑，還可以再接上電容和電感等儲能元件，電感用來平滑電流曲線，電容用來平滑電壓曲線。這時(shí)候，就得到了正弦交流電。這時(shí)候，使用的電源只有一個(gè)電壓。如果引入更多的電壓值，那可以得到更加精細(xì)的正弦波。這種技術(shù)叫做多重電壓逆變技術(shù)，可以用在電動汽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等需要更加精細(xì)的交流電的場合。舉個(gè)逆變器的實(shí)例，是不是看得懂了呢？2.碳化硅導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗優(yōu)勢明顯。包含兩部分，導(dǎo)通損耗Econ和開關(guān)損耗Esw。碳化硅在電流比較小也就是輕載的工況下導(dǎo)通損耗優(yōu)勢是比較明顯的，再結(jié)合輕載工況開關(guān)損耗占比更大（碳化硅開關(guān)損耗也低），這也印證了為什么碳化硅更適合城市工況。因此逆變器應(yīng)用碳化硅MOS體現(xiàn)在效率Map上就是高效區(qū)面積另外，碳化硅MOS打開時(shí)雙向?qū)?，又?guī)避了IGBT模塊在續(xù)流況（更接近實(shí)際城市工況）續(xù)航能力的提升，基于750VIGBT模IGBT模塊替換為1200V碳化硅模塊，整車能耗降低6.9%；如果電壓提升至800V，整車能耗將進(jìn)一步降低7.6%。HPDrive封裝a)750VIGBT模塊b)1200VCoolSiCTM碳化硅除了有效率優(yōu)勢外，還具有以下優(yōu)勢：3.新能源車功率半導(dǎo)體價(jià)值量大幅增加：新增功率器件價(jià)值量主要來自于汽車的“三電”系統(tǒng)，包括電力控制，電力驅(qū)動和電池在車載充電器AC/DC和DC/DC直流轉(zhuǎn)換器中，都會用到IGBT制器中都會用到IGBT單管或者模塊；在ISG啟停系統(tǒng)、電動車窗雨刮等低壓控制器中都會用到MOS?比亞迪漢采用SiCMOSFET提升加速性能、功率及續(xù)航能力。2020年，比亞迪漢EV車型電機(jī)控制器首次使用了比亞迪自主研發(fā)并制造的SiCMOSFET控制模塊，大大提高了電機(jī)性能。比亞迪漢能夠使用650V電壓平臺，也有碳化硅的功勞。高電壓意味著低電流，能減少設(shè)備電阻的損耗。對電機(jī)設(shè)計(jì)來說，也更容易在小體積下實(shí)現(xiàn)更高功率，也因此，比亞迪漢可以輕松實(shí)現(xiàn)3.9S的0–100加速性能。碳化硅可實(shí)現(xiàn)大概率及高續(xù)航。飽和電子速度快，也就是可以通過更大的電流。匹配的電流強(qiáng)度更容易遠(yuǎn)離設(shè)備的飽和電流，也就能實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)通這能減少電能的損耗，也有助于降低設(shè)備發(fā)熱，簡化散熱設(shè)計(jì)。增加與材料本身更強(qiáng)的導(dǎo)熱率，也讓設(shè)備散熱更容易。車輛也就能爆發(fā)出更大的功率。以上是比亞迪漢能實(shí)現(xiàn)363Kw功率的原因。使用磷酸鐵鋰的情況下能達(dá)到605公里的續(xù)航里程，顯然也有碳電裝已經(jīng)開始批量生產(chǎn)搭載了SiC（碳化硅升壓功率模塊，該模塊將應(yīng)用于豐田燃料電池車Mirai車型。電裝與豐田的SiC功率模塊的應(yīng)用歷經(jīng)HEV、燃料電池巴士和燃料新Mirai的新一代固態(tài)燃料電池核心組件ToyotaFCStack搭配了使用多個(gè)SiC功率半導(dǎo)體的FC升壓變換器。升壓變換器作用是輸出高于輸入電壓的電壓。積縮小了30%，損耗降低了70%。根據(jù)電裝的測算，與采用Si基功率半導(dǎo)體的產(chǎn)品相比，搭載了SiC功率半導(dǎo)體（含二極管和晶體管）的新型升壓功率模塊體積縮小了約30%，損耗降低了約70%，在實(shí)現(xiàn)功率模塊小型化的同時(shí)提搭載SiC功率模塊的全新MIRAI與原MIR搭載SiC模塊的新Mirai續(xù)航里程提升30%。豐田表示，通過在FC升壓變壓器中使用SiC半導(dǎo)體，采用鋰離子低壓蓄電池等方式，降低系統(tǒng)能耗損失。同時(shí)，在提升FC電堆性能的基礎(chǔ)上，通過采用觸媒活性再生控制從而豐田實(shí)現(xiàn)了新MiraiWLTC工況最高續(xù)航里程約850km，較上一代車型提升約30%。4.SiC提升電能轉(zhuǎn)換效率，增加續(xù)航里程續(xù)航里程是電動車的一大痛點(diǎn)。損耗，整體損耗相比Si基器件降低80%以上，實(shí)現(xiàn)增加電動車?yán)m(xù)?SiC材料臨界擊穿電場高，導(dǎo)通電阻低，可降低器件的導(dǎo)通損耗。由于SiC的禁帶寬度（3.3eV）遠(yuǎn)高于Si（1.1eV），因此其漂移區(qū)寬度得到大大縮短、可實(shí)現(xiàn)的摻雜濃度也得到提高。在SiCMOSFET導(dǎo)通時(shí)，正向壓降和損耗都小于Si-IGBT。根據(jù)英飛凌研究，當(dāng)負(fù)載電流為15A時(shí)，常溫下SiCMOSFET的的正向壓降約是SiIGBT的80%。?SiC-MOSFET不存在拖尾電流，載流子遷移率高，降低器件開會存在反向恢復(fù)電流及拖尾電流，導(dǎo)致其開關(guān)速度受到限制，從而SiC-MOSFET屬于單極器件，更像一個(gè)剛性開關(guān)，不存在拖尾電流，且較高的載流子遷移率（約Si的3倍）也減少了開關(guān)時(shí)間，是SiIGBT的20%；SiC助力新能源車實(shí)現(xiàn)輕量化SiC器件具備高飽和速率、高電流密度、高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，有利于新能源汽車零部件輕量化的實(shí)現(xiàn)。?SiC材料具備更高的電流密度，相同功率等級下封裝尺寸更小。SiC具備較高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度。在相同功率等級下，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基模塊，有助于提升系統(tǒng)的功率密度。以IPM為例，碳化硅功率模塊體積可縮小至硅功率模塊的2/3-?SiC能夠?qū)崿F(xiàn)高頻開關(guān)，減少無源器件的體積和成本。SiC材外，高臨界擊穿電場（10倍于Si）的特性使其能夠?qū)OSFET帶入高壓領(lǐng)域，克服IGBT開關(guān)過程中的拖尾電流問題，開關(guān)損壓器、電容、電感等的使用，從而減少系統(tǒng)體系和重量。在實(shí)現(xiàn)相同電感電流的情況下，開