透過SiC技術牽引逆變器實現延展電動車行駛里程的承諾

作者:ADI 行銷經理Timothe Rossignol


目前有兩大因素影響著車輛運輸和半導體技術的未來。業界正在採用令人振奮的新方法,即以潔淨的能源驅動我們的汽車,同時重新設計支撐電動車(EV)子系統的半導體材料,大幅提升功效比,進而增加電動車的行駛里程。

政府監管機構持續要求汽車OEM減少其車系的整體二氧化碳排放量,對違規行為給予嚴厲處罰,同時開始沿著道路和停車區域增設電動車充電基礎設施。但是,儘管取得了這些進展,主流消費者仍然對電動車的行駛里程存有疑慮,使電動車的推廣受到阻力。

更複雜的是,大尺寸的電動車電池雖然可以增加其行駛里程,緩解消費者關於行駛里程的焦慮,但它會使電動車的價格上漲——電池成本在整車成本中的占比超過25%。

幸運的是,同時期的半導體技術革命催生了新的寬能隙元件,例如碳化矽(SiC) MOSFET功率開關,使得消費者對電動車行駛里程的期望與OEM在成本架構下實際可實現里程之間的差距得以縮小。

SiC功率元件領導者之一的 Wolfspeed 公司,其功率平台經理Anuj Narain表示:「相較於現有的矽基技術,SiC MOSFET憑藉其自身的優勢,被廣泛認為可以為標準電動車的駕駛週期增加5%至10%的續航里程。」基於此,它們是電動車傳動系統中新一代牽引逆變器的重要組成部分。如果與配套元件一起進行適當開發,其能效提升將代表著消費者對電動車領域信心大幅增加,並有助於加速電動車的普及。

Power conversion elements in EVs

圖1. 電動車中的功率轉換零件。牽引逆變器將高壓電池的直流電壓轉換成交流波形來驅動馬達,驅動汽車前進。

充分利用SiC技術

眾所皆知,基於SiC的功率開關本身在功率密度和效率方面具有優勢,這對於系統散熱和減小元件尺寸都具有重要意義。採用SiC可望使逆變器尺寸在800 V/250 kW時縮小3倍,如果配合使用直流環節薄膜電容,則能進一步減小尺寸和節省成本。相較於傳統的矽功率開關,SiC功率開關可協助實現更傑出的行駛里程和/或更小的電池尺寸,使得開關成本在元件級別和系統級別都更具優勢。

The battery to motor signal chain

圖2. 電池至馬達訊號鏈。為了增加行駛里程,每個模組都應設計為可提供最高能效。

在同時考量行駛里程和成本因素時,仍然需要以牽引逆變器為焦點不斷創新,目的在進一步提升電動車的效率和行駛里程。作為牽引逆變器中價格最昂貴、功能最重要的元件,SiC功率開關需要接受精準控制,以充分發揮額外的開關成本的價值。

Voltage and current waveforms at turn-on (left) and turn-off (right)

圖3. 開啟(左)和關閉(右)時的電壓和電流波形。在SiC環境中,dv/dt將超過10 V/ns,這表示開關800 V直流電壓的時間不會超過80 ns。同樣,di/dt為10 A/ns時,表示在80 ns內電流為800 A,從中可以觀察到di/dt的變化。

事實上,SiC開關的所有固有優勢都會被共模雜訊干擾,以及被管理不善的功率開關環境中的超快電壓和電流瞬變(dv/dt和di/dt)導致的極高和破壞性的電壓過沖影響。一般來說,拋開底層技術不談,SiC開關的功能相對簡單,它只是一個3端元件,但必須小心連接至系統。

關於閘極驅動器

隔離式閘極驅動器的作用關係到功率開關的最佳開關點,確保透過隔離閘實現短而準確的傳播延遲,同時提供系統和安全隔離,避免功率開關過熱,檢測和防止短路,並促使在ASIL D系統中插入子模組驅動/開關功能。

The isolated gate driver bridges the signal world (control unit) and the power world (SiC switch)

圖4. 隔離式閘極驅動器橋接了訊號世界(控制單元)和功率世界(SiC開關)。除了隔離和訊號驅動,該驅動器還執行遙測、保護和診斷功能,使其成為訊號鏈的關鍵元件。

但是,SiC開關導致的高擺率瞬態會破壞跨越隔離閘的資料傳輸,所以測量和瞭解對這些瞬變的敏感性非常重要。ADI專有的 iCoupler®技術具有卓越的共模瞬變抗擾度(CMTI),測量性能高達200 V/ns及以上。在安全操作環境中,這可以充分釋放SiC開關時間的潛力。

ADI has pioneered advances in digital isolation technology for over 20 years with iCoupler digital isolation ICs

圖5. 20多年來,ADI一直居於數位隔離技術發展的前端,並推出了iCoupler®數位隔離IC。該技術採用具有厚聚醯亞胺絕緣層的變壓器。數位隔離器採用晶圓CMOS製程。變壓器採用差分架構,具有卓越的共模瞬變抗擾度。

考慮到較小的晶片尺寸和嚴格的熱封裝,短路是基於SiC的電源開關的另一個主要挑戰。閘極驅動器為電動車傳動系統的可靠性、安全性和生命週期優化提供了必要的短路保護。

在Wolfspeed等領先的SiC MOSFET功率開關供應商之實際測試中,高性能閘極驅動器已證實了自身的價值。對於關鍵參數性能,例如短路檢測時間和總故障清除時間,可分別低至300 ns和800 ns。為了提升安全性和保護等級,測試結果顯示,可調的軟關斷能力對系統能否平穩運行非常重要。

同樣的,可以大幅提升開關能量和電磁相容性(EMC),以最大限度提高功率性能和電動車的行駛里程。驅動能力更高時,用戶可以獲得更快的邊緣速率,從而降低開關損耗。這不僅有助於提升效率,而且無需為每個閘極驅動器分配外部緩衝器,從而節省了電路板空間和成本。相反,在某些條件下,系統可能需要降低開關速度來實現卓越的效率,甚至需要分級開關,研究顯示以上可以進一步提升效率。ADI提供可調壓擺率,允許用戶進行此操作,去除外部緩衝器則進一步減少了阻礙。

系統要素

需要注意的是,閘極驅動器和SiC開關解決方案的綜合價值和性能可能完全被周圍元件的妥協和/或低效抵消。ADI在功率控制和感測方面的經驗和系統級的性能優化方法結合,將可涵蓋多種設計考量。

從整體角度來看,電動車顯露了優化傳動系統功率效率的額外機會,這對於在確保安全可靠運行的同時大幅利用電池可用容量來說非常重要。電池管理系統的品質直接影響電動車每次充電所能行駛的里程數。優質的電池管理系統能夠大幅延長電池的整體使用壽命,從而降低擁有權總成本(TCO)。

就功率管理而言,能夠在不降低BOM成本或減小PCB尺寸的情況下克服複雜的電磁干擾問題(EMI)將變得非常重要。無論是隔離式閘極驅動器的供電電路,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鍵考慮因素。在所有情況下,能否消除電磁干擾對電動車設計人員而言極為重要。涉及到開關多個電源時,電磁干擾是一個非常關鍵的痛點,如果EMC性能卓越,則非常有助於減少測試週期和降低設計複雜性,從而加快上市速度。

如果深入研究支援零件的生態系統,會發現電磁感測技術的進步推動產生了新一代無接觸電流感測器,該感測器能夠提供高頻寬、高精度,而且無功率損耗,此外,還推動產生了精密且可靠的位置感測器,適用於軸端和軸外佈置。典型的插電式混合動力電動車中佈署15到30個電流感測器,並採用旋轉和位置感測器來監測牽引馬達。在干擾電磁場下的精度和可靠性是跨電動車功率系統測量和保持性能的重要屬性。

端到端效率

從電池到牽引逆變器,再到支援元件等,從整體來看電動車傳動系統的所有元件,ADI發現了無數改善電動車的機會,可以提升其整體能效,還能增加電動車行駛里程。隨著SiC功率開關技術滲透到電動車牽引逆變器中,數位隔離已成為其中一個重要的組成部分。

同樣的,汽車OEM可以利用多學科方法來優化電動車,以確保所有可用的功率監測和控制元件密切配合大幅提升性能和效率。同時,它們可以協助消除主流消費者購買電動車的最後一個障礙,即行駛里程和成本,同時協助打造更環保的未來。

參考電路

1 Richard Dixon。 「未來汽車使用的MEMS感測器」 。第4屆年度汽車感測器和電子峰會,2019年2月。