新能源汽车的核心部件碳化硅逆变器

流电能转换电机需要的交流电，还能在制动过程中将电动机回收的交流电转换为直流电提供给电池使用。每台逆变器里都有一个电源模块，通常由六个电源半导体开关组成，用于将电能从电池组传输到电动机，反之亦然。高电压的逆变器可以为电动汽车提供更高功率，增强电压灵活性，同时缩小电池包尺寸，缩短电动汽车充电时间，并且提高续航里|博格华纳800V碳化硅逆变器2021年上海车展上，博格华纳完成对德尔福科技收购后首次重磅博格华纳将展出高压碳化硅(SiC)逆变器。碳化硅电源开关用于800V应用的逆变器，使用了Viper的专利碳了30%整体尺寸，提高了25%功率密度。|Pre-Switch公司3颗分立的低成本35mΩSiCMOSFET的是，在100kHz时，其200kW的CleanWave200评估型逆变器的效率超过99.3％，更为重要的是，每个开关位置仅使用3颗分立的低成本35mΩSiCMOSFET。1.碳化硅制成的逆变器是电动汽车的核心部件。下面，我将带你进一步了解碳化硅器件是如何组成逆变器的。这一切，仍旧要回归逆变器的功能——将直流电（DC）转化为正弦交流电（AC）。如下图所示，左边为直流电，而右边为正弦交流电——随着时间这个涉及到两步，第一步是产生方形交流电，第二步使得方形成第一步：产生方形交流电。其实一开始使用的交流电没有这么多的变化，波形如下图所示。要实现方形交流电，由波形就可以看出，只要让流经电动机的电为了实现这样的效果，有这么一种四个开关的电路，如下图所示，标准的名字呢，是全桥逆变电路。过电动机的电流不断的从正到负变换了。这就是产生方波交流电的原理。每切换两次开关，就是一次交流电的周期。如果你一秒切换两次，那么输出的交流电的频率就是1Hz。国），而无线电技术中涉及的交流电频率一般较大，达到kHz，这么高的切换速度，没有人可以做到，而这样的开关，所有的机MOSFET每秒可以开关数千次，而使用SiC制成的MOSFET更是可以承受kHz以上的频率，这就是所谓的高频器件。这样，我们就完成了第一步，使用四个MOSFET制成的开关电路但是，方波切换的不连续，会使得电动机的损耗大大增加，甚至接下来，就是将方形交流电转化为正弦交流电。第二步：将方形交流电转化为正弦交流电这里需要用到的技术叫做脉冲宽度调制——也就是改变切换开关脉冲宽度调节的越小，得到的信号就越接近正弦波。比较器的第一个作用是防止电路短路，也就是开关S1和S2是不会不会同时开通，开关S3和S4是不会不会同时开通；第二个作用是比较三角波交流电和正弦波交流电（这两个信号来源于其他电路），形成电动机的电压差，也就是控制MOSFET的这些电路就是逻辑电路，同样可以使用SiC器件实现。为了使得曲线更加平滑，还可以再接上电容和电感等储能元件，电感用来平滑电流曲线，电容用来平滑电压曲线。这时候，就得到了正弦交流电。这时候，使用的电源只有一个电压。如果引入更多的电压值，那可以得到更加精细的正弦波。这种技术叫做多重电压逆变技术，可以用在电动汽车、风力发电机等需要更加精细的交流电的场合。举个逆变器的实例，是不是看得懂了呢？2.碳化硅导通损耗和开关损耗优势明显。包含两部分，导通损耗Econ和开关损耗Esw。碳化硅在电流比较小也就是轻载的工况下导通损耗优势是比较明显的，再结合轻载工况开关损耗占比更大（碳化硅开关损耗也低），这也印证了为什么碳化硅更适合城市工况。因此逆变器应用碳化硅MOS体现在效率Map上就是高效区面积另外，碳化硅MOS打开时双向导通，又规避了IGBT模块在续流况（更接近实际城市工况）续航能力的提升，基于750VIGBT模IGBT模块替换为1200V碳化硅模块，整车能耗降低6.9%；如果电压提升至800V，整车能耗将进一步降低7.6%。HPDrive封装a)750VIGBT模块b)1200VCoolSiCTM碳化硅除了有效率优势外，还具有以下优势：3.新能源车功率半导体价值量大幅增加：新增功率器件价值量主要来自于汽车的“三电”系统，包括电力控制，电力驱动和电池在车载充电器AC/DC和DC/DC直流转换器中，都会用到IGBT制器中都会用到IGBT单管或者模块；在ISG启停系统、电动车窗雨刮等低压控制器中都会用到MOS•比亚迪汉采用SiCMOSFET提升加速性能、功率及续航能力。2020年，比亚迪汉EV车型电机控制器首次使用了比亚迪自主研发并制造的SiCMOSFET控制模块，大大提高了电机性能。比亚迪汉能够使用650V电压平台，也有碳化硅的功劳。高电压意味着低电流，能减少设备电阻的损耗。对电机设计来说，也更容易在小体积下实现更高功率，也因此，比亚迪汉可以轻松实现3.9S的0–100加速性能。碳化硅可实现大概率及高续航。饱和电子速度快，也就是可以通过更大的电流。匹配的电流强度更容易远离设备的饱和电流，也就能实现在导通这能减少电能的损耗，也有助于降低设备发热，简化散热设计。增加与材料本身更强的导热率，也让设备散热更容易。车辆也就能爆发出更大的功率。以上是比亚迪汉能实现363Kw功率的原因。使用磷酸铁锂的情况下能达到605公里的续航里程，显然也有碳电装已经开始批量生产搭载了SiC（碳化硅升压功率模块，该模块将应用于丰田燃料电池车Mirai车型。电装与丰田的SiC功率模块的应用历经HEV、燃料电池巴士和燃料新Mirai的新一代固态燃料电池核心组件ToyotaFCStack搭配了使用多个SiC功率半导体的FC升压变换器。升压变换器作用是输出高于输入电压的电压。积缩小了30%，损耗降低了70%。根据电装的测算，与采用Si基功率半导体的产品相比，搭载了SiC功率半导体（含二极管和晶体管）的新型升压功率模块体积缩小了约30%，损耗降低了约70%，在实现功率模块小型化的同时提搭载SiC功率模块的全新MIRAI与原MIR搭载SiC模块的新Mirai续航里程提升30%。丰田表示，通过在FC升压变压器中使用SiC半导体，采用锂离子低压蓄电池等方式，降低系统能耗损失。同时，在提升FC电堆性能的基础上，通过采用触媒活性再生控制从而丰田实现了新MiraiWLTC工况最高续航里程约850km，较上一代车型提升约30%。4.SiC提升电能转换效率，增加续航里程续航里程是电动车的一大痛点。损耗，整体损耗相比Si基器件降低80%以上，实现增加电动车续►SiC材料临界击穿电场高，导通电阻低，可降低器件的导通损耗。由于SiC的禁带宽度（3.3eV）远高于Si（1.1eV），因此其漂移区宽度得到大大缩短、可实现的掺杂浓度也得到提高。在SiCMOSFET导通时，正向压降和损耗都小于Si-IGBT。根据英飞凌研究，当负载电流为15A时，常温下SiCMOSFET的的正向压降约是SiIGBT的80%。►SiC-MOSFET不存在拖尾电流，载流子迁移率高，降低器件开会存在反向恢复电流及拖尾电流，导致其开关速度受到限制，从而SiC-MOSFET属于单极器件，更像一个刚性开关，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率（约Si的3倍）也减少了开关时间，是SiIGBT的20%；SiC助力新能源车实现轻量化SiC器件具备高饱和速率、高电流密度、高热导率的特点，有利于新能源汽车零部件轻量化的实现。►SiC材料具备更高的电流密度，相同功率等级下封装尺寸更小。SiC具备较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度。在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率密度。以IPM为例，碳化硅功率模块体积可缩小至硅功率模块的2/3-►SiC能够实现高频开关，减少无源器件的体积和成本。SiC材外，高临界击穿电场（10倍于Si）的特性使其能够将MOSFET带入高压领域，克服IGBT开关过程中的拖尾电流问题，开关损压器、电容、电感等的使用，从而减少系统体系和重量。在实现相同电感电流的情况下，开