Sep . 2024
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近幾年新能源車發展迅猛，技術創新突飛猛進。如何設計更有效率的牽引逆變器使整車獲得更長的續航里程一直是研發技術人員探討的最重要主題之一。高效率的牽引逆變器需要在功率、效率和材料利用率之間取得適當的平衡。
當前新能源汽車牽引逆變器的功率半導體元件幾乎都是基於單一的矽基(Si) 或碳化矽基（SiC）。 Si IGBT 或寬帶隙 SiC MOSFET功率半導體具有不同的性能特點，可適合不同的目標應用。單一性質的IGBT裝置或SiC裝置在逆變器應用中很難同時滿足高效和成本的要求。
如今越來越多的設計人員希望以創意的方式使用和組合半導體材料，以尋找Si和SiC的最佳平衡點。創新方法挑戰了以往某些應用被鎖定在特定一種半導體材料的既定觀念。例如，過去人們認為逆變器的設計必須使用相同的半導體材料。現在，融合技術正在將為新的設計可能性鋪平道路。英飛凌將不同的半導體材料創新地結合
到新型逆變器設計中，在成本和性能優化方面實現市場驅動的平衡。
本文將探討英飛凌在混合式功率半導體創新技術方面為高效牽引逆變器在效率、成本和永續性之間尋找更好的平衡點。
在探討新能源車的牽引逆變器功率元件首選是SiC還是Si 裝置之前，我們先簡單比較SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性：
1. 從導通特性來看，由於不同的物理結構，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。 SiC MOSFET導通特性表現得更像一個電阻輸出特性，而IGBT 則表現出一個非常明顯的拐點(Knee Voltage)特性。這種技術上的差異即表現出兩種裝置不同的導通損耗特性。在電流較小時，SiC mosfet 具有較小的導通損耗，當電流較大（超過曲線交點）時，IGBT 的導通損耗則較小。
2. 從開關特性來看，IGBT屬於雙極性元件，在關閉時由於少子的複合肯定會造成拖尾電流，使其開關損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關損耗對比IGBT具明顯優勢。
綜上，SiC MOSFET元件並非在所有負載條件下，都具有壓倒性的效能優勢。這也很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時需要考慮一個損益平衡點。
新能源電動車的性能分配有多種選擇，主流方案就是在主驅動軸和副驅動軸之間進行分配。在我們的範例中（圖3），主驅動軸始終處於嚙合狀態，滿足低功率常規續航駕駛模式，副驅動軸可提供額外扭矩，實現四輪驅動能力和最佳加速性能。目前市場上可以看到的配置基本分為1)主驅動軸和輔驅動軸均採用了SiC功率元件; 2)主驅動軸採用高效能SiC 功率元件，而輔驅動軸則採用更具性價比的IGBT功率器件。這也是當今電動車的典型配置，這些方案都是建立在逆變器中使用單一的功率元件，較難做到效率和成本之間的平衡。在評估上述方案的優劣之前，我們需要先從電動車的駕駛工況來分析。真實的駕駛工況對牽引逆變器的需求是什麼？
全球輕型汽車測試程式（WLTP）的駕駛週期反映了接近真實的駕駛任務。透過標準化，它為電動車製造商和消費者提供了比較不同車輛效率的參考值。
對於電動車來說，它以一定距離的能量消耗來表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加侖汽油當量英里數"（MPGe）來表示，這一指標也可以與傳統內燃機汽車進行比較。
WLTP 駕駛循環（圖4）與其他任務剖面圖類似，由23.3 公里距離內1800 秒的各種加速、減速和性能週期組成。鑑於駕駛方式的不同，對於WLTP 是否反映了真實世界的駕駛情況存在不同意見。但它適合作為評定汽車效率的依據。 WLTP 任務描述允許電動車製造商計算特定車輛所需的馬達性能及其關鍵參數，如重量、風阻、駕駛效率、加速度和能量回收。
從上面的WLTP 典型的駕駛工況曲線來看，超過105km/h高速工況需求的時間佔比大約只有10%左右，而大約3/4的時間內車速需求是小於75km/h。
以一輛重1500 公斤的汽車為例，計算出的數值繪製成直方圖（圖5）。該圖表顯示，電動車牽引逆變器的最大輸出功率需要約50 KW。這說明對於電動車的加速、達到峰值速度所需的實際功率是非常小的。在發電模式下（見圖5 中的紫色條），最大功率約為28 KW。
我們知道，牽引逆變器對電動車的整體性能和效率起著決定性作用。更仔細地審視逆變器的設計，成本效益和合理的額定功率以及合理的效率水平是面向更廣泛市場的電動車成功的關鍵因素。在這個層面上，簡單地說，我們要評估的是整個驅動任務剖面的最低表現和所需的峰值表現。
這些分析將可以更好地讓我們理解哪種半導體技術（Si 或SiC）更適合。
在前面的例子中，80 KW的電機可以執行標準的WLTP 驅動循環，從而滿足大多數駕駛要求。如果使用碳化矽來提高汽車的額定功率，那麼多餘的功率在大多數情況下都會被"閒置"。但在某些情況下，80 KW可能不足以實現"有趣動感"（運動型）的駕駛體驗。因此，可以添加一些矽來提高車輛的峰值性能。例如，矽部件能夠額外提供160千瓦的功率。這將使汽車具有非常動態的駕駛加速性能。在另一方面，這些數值可以縮減到40 kW SiC 和80 kW Si，從而實現120kW 的入門級電動車功率。
至於如何在牽引逆變器內分配Si 和SiC 晶片，取決於研發設計師。鑑於有多種選擇，深入研究電力傳動系統的配置是很有意義的。
對於動力傳動系統，尤其是牽引逆變器，不同的技術方案有不同的效率、性能和成本優勢，如下1~5配置。
雙電驅的優點眾所周知，下圖7 對此進行了總結。其設計的初衷，SiC在中小功率等級使用時具有更低的損耗、更高的效率，而IGBT在大功率輸出時相對更有優勢。為了充分發揮SiC和IGBT 各自的優點，雙電驅動可以採用不同半導體裝置來搭配。
在這種配置（圖6 配置2 + 配置3 的組合）中，使用了Si 和SiC 技術，但部署在不同的電驅上。
上個章節講到電動車的性能分配有多種選擇，最明顯的就是在主驅動橋和副驅動橋之間進行分配。在我們的範例中（圖8），配置1 和2 在後軸或前軸上使用了全部的碳化矽。而配置3 和4 則使用了融合技術牽引逆變器。這些方案在效率和成本之間可以達到良好的平衡。在融合技術中，矽晶片和碳化矽晶片在同一牽引逆變器中並行運作。為了理解為什麼融合技術牽引逆變器的效率比其他配置更高，讓我們更深入地了解不同的驅動情況。
我們可以仔細觀察融合技術牽引逆變器內部的能量流動（圖9）。在標準負載下，後軸上的SiC 用於加速，而前後軸上的SiC（66% 至33% 的份額）用於平穩減速。這種負載情況與大多數駕駛條件和WLTP 測試條件相當，加速和減速完全由SiC 和所需的電動驅動控制。當功率需求達到更高峰值時，加速時需要使用額外的Si。由於Si在高負載時具有更高的效率，因此此處僅使用Si進行能量回收。
總而言之：融合技術牽引逆變器最有效地利用了不同半導體功率元件的不同優勢，從而可以為高效、經濟的電動車做出了的貢獻。
根據上述原理，這些技術可以透過不同的組合方式來實現不同的目標。那如何考慮其驅動策略？
在只使用一種半導體技術的標準牽引逆變器中，由於只使用了Si 或SiC，因此不需要特別的驅動策略。但融合技術牽引逆變器採用了Si和SIC並聯運行，因此也需要特殊的驅動控制策略。
下圖概述了融合技術牽引逆變器的不同運作模式下， SiC 和Si 半導體的不同驅動運作方式。
獨立運作（"Ex"）
第一種選擇是獨立運作模式，即單一時刻只有一種半導體（Si或SiC）運作。以上面的範例參考，SiC 專門用於所有低於 80 kW 的功率需求。如果車輛要求牽引逆變器提供超過 80 kW 的輸出功率，SiC MOSFET將關閉，取而代之的是 Si IGBT運行。範例中逆變器中的碳化矽部分對最大輸出功率沒有貢獻，這顯然是此方案的主要缺點。要實現 獨立運作"排他性操作"，則需要兩個閘極訊號（"Ex2G"）來獨立控制兩種半導體元件。
並行控制（"S"）
在這裡，Si和SiC總是並聯使用。這克服了獨立運作模式的缺點。一個柵極訊號用於在兩種技術之間切換。閘極路徑的調整對於匹配開啟和關閉行為以及實現適當的瞬態行為十分必要。必須通過設計和技術確保所有獨立開關之間的電流共享。然而，以Vds電壓低於0.7 V 為例，碳化矽區域將傳導大部分電流，超過此限制後，矽將增加其電流份額。透過設定晶片區域的尺寸，可以優化這些值，以實現效率和驅動能力需求。
並行模式有兩種實施例－單閘極方案（S1G）或雙閘極方案（S2G）。由於兩種半導體同時運行，一個閘極驅動就足夠了。在調整技術時，設計人員可以自由選擇從微控制器發出一個PWM 訊號，然後透過一個閘極驅動器和外部適配器電路將PWM傳送到兩個閘極（S2G）；或只使用一個閘極驅動器和一個閘極接腳（S1G），而在功率模組中對驅動訊號進行獨立匹配。對於使用者來說，S1G 是相當方便的解決方案，但與S2G 相比，改變參數的自由度較低。
單獨控制（"In"）
第三種方案需要獨立控制兩種半導體晶片。這需要為每組開關提供兩個PWM 訊號。此模式的優點是可對兩種開關進行最佳化調整，並可在控制策略內線上自由調整PWM 模式。由於SiC的開關速度可能比Si快，因此可以調節不同的導通和關斷時刻，以優化瞬態電流分擔，最大限度地減少每種半導體晶片的過載。根據使用情況，由此產生的操作可在獨佔模式和同步模式之間無縫切換。在發生故障時，甚至可以實現一種"跛行回家"模式，即關閉一種半導體晶片的運行，系統切換到剩餘的半導體晶片運行，做到"跛行回家"。
單獨控制模式需要兩個閘極（In2G），因此設定更為複雜，但另一方面，它充分利用了融合技術牽引逆變器的優勢。它還提供了兩種技術之間的冗餘（故障切換）。
圖10 顯示了不同的融合技術牽引逆變器驅動策略的實作方法，使我們能夠識別和比較這些不同。圖11 總結了每種實施方法的優點和挑戰。如圖所示，每種控制策略在某些用例中都有優點和缺點。合適的產品和工程能力往往決定了實施的可行性。基於這些邊界條件，不同的細分市場將可以採用不同的融合技術牽引逆變器控制策略。
單獨控制模式（In2G）是一個不錯的驅動策略，因為它具有充分的靈活性，為高度複雜的軟體策略打開了大門，可優化不同半導體開關技術的電氣效率、BOM、成本和使用壽命等變量。這種模式甚至可以支援"故障運作"功能。因此，融合技術牽引逆變器的優勢不僅限於最初明顯的成本和材料可用性優勢，還能為未來的新能源汽車提供新的技術方向。
Si和SiC融合技術將是一種非常有效的解決方案，可瞄準需要在效率、成本和可用性之間取得良好平衡的細分市場。
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