【導(dǎo)讀】目前有兩大因素影響著車輛運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)。行業(yè)正在擁抱令人振奮的新方法，即以清潔的電力驅(qū)動(dòng)我們的汽車，同時(shí)重新設(shè)計(jì)支撐電動(dòng)汽車(EV)子系統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，以最大程度地提高功效比，進(jìn)而增加電動(dòng)汽車的行駛里程。
政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)繼續(xù)要求汽車OEM減少其車系的整體二氧化碳排放量，對(duì)違規(guī)行為給予嚴(yán)厲處罰，同時(shí)開(kāi)始沿著道路和停車區(qū)域增設(shè)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。但是，盡管取得了這些進(jìn)展，主流消費(fèi)者仍然對(duì)電動(dòng)汽車的行駛里程存有疑慮，使電動(dòng)汽車的推廣受到阻力。
更復(fù)雜的是，大尺寸的電動(dòng)汽車電池雖然可以增加其行駛里程，緩解消費(fèi)者關(guān)于行駛里程的焦慮，但它會(huì)令電動(dòng)汽車的價(jià)格上漲——電池成本在整車成本中的占比超過(guò)25%。
幸運(yùn)的是，同時(shí)期的半導(dǎo)體技術(shù)革命催生了新的寬帶隙器件，例如碳化硅(SiC) MOSFET功率開(kāi)關(guān)，使得消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車行駛里程的期望與OEM在成本架構(gòu)下實(shí)際可實(shí)現(xiàn)里程之間的差距得以縮小。
Wolfspeed SiC功率器件領(lǐng)導(dǎo)者之一，功率平臺(tái)經(jīng)理Anuj Narain表示，"與現(xiàn)有的硅基技術(shù)相比，SiC MOSFET憑借其自身的優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為可以為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車的駕駛周期增加5%至10%的續(xù)航里程。"基于此，它們是電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中新一代牽引逆變器的重要組成部分。如果與配套器件一起進(jìn)行適當(dāng)開(kāi)發(fā)，其能效提升將代表著消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車領(lǐng)域信心的大幅增加，并有助于加快電動(dòng)汽車的普及。
圖1. 電動(dòng)汽車中的功率轉(zhuǎn)換部件。電機(jī)逆變器將高壓電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流波形來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。
充分利用SiC技術(shù)
眾所周知，基于SiC的功率開(kāi)關(guān)本身在功率密度和效率方面具有優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于系統(tǒng)散熱和減小器件尺寸都有重要意義。采用SiC有望使逆變器尺寸在800 V/250 kW時(shí)縮小3倍，如果配合使用直流環(huán)節(jié)薄膜電容，則能進(jìn)一步減小尺寸和節(jié)省成本。與傳統(tǒng)的硅功率開(kāi)關(guān)相比，SiC功率開(kāi)關(guān)可以幫助實(shí)現(xiàn)更出色的行駛里程和/或更小的電池尺寸，使得開(kāi)關(guān)成本在器件級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)別都更具優(yōu)勢(shì)。
圖2. 電池至電機(jī)信號(hào)鏈。為了增加行駛里程，每個(gè)模塊都應(yīng)設(shè)計(jì)為可提供最高能效。
在同時(shí)考慮行駛里程和成本因素時(shí)，仍然需要以電機(jī)逆變器為焦點(diǎn)不斷創(chuàng)新，旨在進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的效率和行駛里程。作為電機(jī)逆變器中價(jià)格最昂貴、功能最重要的元件，SiC功率開(kāi)關(guān)需要接受精準(zhǔn)控制，以充分發(fā)揮額外的開(kāi)關(guān)成本的價(jià)值。
圖3. 開(kāi)啟（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的電壓和電流波形。在SiC環(huán)境中，dv/dt將超過(guò)10 V/ns，這意味著開(kāi)關(guān)800 V直流電壓的時(shí)間不會(huì)超過(guò)80 ns。同樣，di/dt為10 A/ns時(shí)，意味著在80 ns內(nèi)電流為800 A，從中可以觀察到di/dt的變化。
事實(shí)上，SiC開(kāi)關(guān)的所有固有優(yōu)勢(shì)都會(huì)被共模噪聲干擾，以及被管理不善的功率開(kāi)關(guān)環(huán)境中的超快電壓和電流瞬變（dv/dt和di/dt）導(dǎo)致的極高和破壞性的電壓過(guò)沖影響。一般來(lái)說(shuō)，拋開(kāi)底層技術(shù)不談，SiC開(kāi)關(guān)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，它只是一個(gè)3端器件，但必須小心連接至系統(tǒng)。
關(guān)于柵極驅(qū)動(dòng)器
隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的作用關(guān)系到功率開(kāi)關(guān)的最佳開(kāi)關(guān)點(diǎn)，確保通過(guò)隔離柵實(shí)現(xiàn)短而準(zhǔn)確的傳播延遲，同時(shí)提供系統(tǒng)和安全隔離，避免功率開(kāi)關(guān)過(guò)熱，檢測(cè)和防止短路，并促使在ASIL D系統(tǒng)中插入子模塊驅(qū)動(dòng)/開(kāi)關(guān)功能。
圖4. 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器橋接了信號(hào)世界（控制單元）和功率世界（SiC開(kāi)關(guān)）。除了隔離和信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器還執(zhí)行遙測(cè)、保護(hù)和診斷功能，使其成為信號(hào)鏈的關(guān)鍵元件。
但是，SiC開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的高擺率瞬態(tài)會(huì)破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸，所以測(cè)量和了解對(duì)這些瞬變的敏感性至關(guān)重要。ADI專有的 iCoupler?技術(shù)具有出色的共模瞬變抗擾度(CMTI)，測(cè)量性能高達(dá)200 V/ns及以上。在安全操作環(huán)境中，這可以充分釋放SiC開(kāi)關(guān)時(shí)間的潛力。
圖5. 20多年來(lái)，ADI一直走在數(shù)字隔離技術(shù)發(fā)展的前沿，推出了iCoupler?數(shù)字隔離IC。該技術(shù)采用帶有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝。變壓器采用差分架構(gòu)，具有出色的共模瞬變抗擾度。
考慮到較小的裸片尺寸和嚴(yán)格的熱封裝，短路是基于SiC的電源開(kāi)關(guān)的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)。柵極驅(qū)動(dòng)器為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性、安全性和生命周期優(yōu)化提供了必要的短路保護(hù)。
在Wolfspeed等領(lǐng)先的SiC MOSFET功率開(kāi)關(guān)提供商的實(shí)際測(cè)試中，高性能柵極驅(qū)動(dòng)器已證實(shí)了自身的價(jià)值。對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)性能，例如短路檢測(cè)時(shí)間和總故障清除時(shí)間，可分別低至300 ns和800 ns。為了提高安全性和保護(hù)等級(jí)，測(cè)試結(jié)果表明，可調(diào)的軟關(guān)斷能力對(duì)系統(tǒng)能否平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。
同樣，可以最大程度提高開(kāi)關(guān)能量和電磁兼容性(EMC)，以最大限度提高功率性能和電動(dòng)汽車的行駛里程。驅(qū)動(dòng)能力更高時(shí)，用戶可以獲得更快的邊緣速率，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。這不僅有助于提高效率，而且無(wú)需為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配外部緩沖器，從而節(jié)省了電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統(tǒng)可能需要降低開(kāi)關(guān)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)出色的效率，甚至需要分級(jí)開(kāi)關(guān)，研究表明以上可以進(jìn)一步提高效率。ADI提供可調(diào)壓擺率，允許用戶進(jìn)行此操作，去除外部緩沖器則進(jìn)一步減少了阻礙。
系統(tǒng)要素
需要注意的是，柵極驅(qū)動(dòng)器和SiC開(kāi)關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能完全被周圍組件的妥協(xié)和/或低效抵消。ADI在功率控制和傳感方面的經(jīng)驗(yàn)和我們系統(tǒng)級(jí)的性能優(yōu)化方法相結(jié)合，可以涵蓋多種設(shè)計(jì)考量。
從整體角度來(lái)看，電動(dòng)汽車顯露了優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)功率效率的額外機(jī)會(huì)，這對(duì)于在確保安全可靠運(yùn)行的同時(shí)最大限度利用電池可用容量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)的品質(zhì)直接影響電動(dòng)汽車每次充電所能行駛的里程數(shù)。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統(tǒng)能夠最大限度地延長(zhǎng)電池的整體使用壽命，從而降低總擁有成本(TCO)。
就功率管理而言，能夠在不降低BOM成本或減小PCB尺寸的情況下克服復(fù)雜的電磁干擾問(wèn)題(EMI)將變得至關(guān)重要。無(wú)論是隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的供電電路，還是高壓至低壓DC-DC電路，高功效比、熱性能和封裝仍然是功率域的關(guān)鍵考慮因素。在所有情況下，能否消除電磁干擾對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員而言極為重要。涉及到開(kāi)關(guān)多個(gè)電源時(shí)，電磁干擾是一個(gè)非常關(guān)鍵的痛點(diǎn)，如果EMC性能出色，則非常有助于減少測(cè)試周期和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而加快上市速度。
如果深入研究支持部件的生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電磁傳感技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)產(chǎn)生了新一代無(wú)接觸電流傳感器，該傳感器能夠提供高帶寬、高精度，而且無(wú)功率損耗，此外，還推動(dòng)產(chǎn)生了精密且可靠的位置傳感器，適用于軸端和軸外布置。典型的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中部署15到30個(gè)電流傳感器，并采用旋轉(zhuǎn)和位置傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)牽引電機(jī)。在干擾電磁場(chǎng)下的精度和可靠性是跨電動(dòng)汽車功率系統(tǒng)測(cè)量和保持性能的重要屬性。
端到端效率
從電池到電機(jī)逆變器，再到支持組件等，從整體來(lái)看電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的所有元件，ADI發(fā)現(xiàn)了無(wú)數(shù)改進(jìn)電動(dòng)汽車的機(jī)會(huì)，可以提升其整體能效，還能增加電動(dòng)汽車行駛里程。隨著SiC功率開(kāi)關(guān)技術(shù)滲透到電動(dòng)汽車電機(jī)逆變器中，數(shù)字隔離已成為其中一個(gè)重要的組成部分。
同樣，汽車OEM可以利用多學(xué)科方法來(lái)優(yōu)化電動(dòng)汽車，以確保所有可用的功率檢測(cè)和控制器件密切配合，以最大限度提升性能和效率。同時(shí)，它們可以幫助消除主流消費(fèi)者購(gòu)買電動(dòng)汽車的最后一個(gè)障礙，即行駛里程和成本，同時(shí)幫助打造更環(huán)保的未來(lái)。
參考電路
1 Richard Dixon?！拔磥?lái)汽車使用的MEMS傳感器。”第4屆年度汽車傳感器和電子峰會(huì)，2019年2月。
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