【技术】采用SIC FET的高效率逆变器显著提升电动车单次充电行驶里程并降低成本

时间： 2022-01-01 来源：UnitedSiC

电动车背后的推动力量已经到达临界点，很难想象马路上不存在大量电动车的未来图景。这会改变很多事情，不仅仅是我们的购买偏好和驾驶习惯，还有我们对于出行的思考方式。

想象一下亨利·福特成功之前的世界。加油站少得可怜，早期的车主常常将燃料罐绑在车外携带。里程焦虑不是什么新事物。然而，确实没有什么人考虑内燃机车辆加一次油需要多长时间。反正总比喂马和饮马要快。事实上，这可能是拥有汽车的主要吸引力之一，那就是不用考虑那么多。机械师取代了马车夫，真实的拥有成本终于显现出来了，不过轮子已经转动起来了。

在这里，轮子转动起来了不仅仅一个比喻，因为这才是最终核心。改用电动车意味着这些轮子现在将借助电动机转动，而不是往复式动力机，不过目标是相同的。然而，有一个明显的不同之处，那就是能量的转化方式。采用内燃机时，燃料内的化学能转换成动能（运动），这些能量随后会转变成所有能量的熵态，也就是热量，以实现运动。在采用电动车时，这个过程中会多一个阶段，那就是捕获未使用的动能。这就是再生制动，但是它的真正意义在于使用车辆的动力来转动电动机，而不是反过来。这会让电动机变成发电机，而产生的电力会被送回电池中。此举可以延长电动车的单次充电行驶里程，但是能延长多少取决于再生阶段的效率。

这个电动机/发电机已经过优化，在电动机模式和发电机模式下都能高效工作。另一个重要阶段是逆变器，它是将电池的高压转变交流电以便驱动电动机的电路，交流电波形的波幅和频率将决定旋转速度。通常，牵引电动机是三相的，因此逆变器需要利用直流电池电压生成三个交流循环，差不多就是将800V直流电转化成180kW左右的交流电。因此，这个阶段的效率对整体性能和车辆制造商实现的单次充电行驶里程至关重要。

大量设计工作集中在这里也就不足为奇了，尽可能提高逆变器效率意味着使用损耗尽可能低的组件。直到最近，IGBT都一直保持着导电损耗方面的优势，代价是关闭时的开关损耗明显较高。因为典型的电动机开关频率相对较低，所以很好权衡，尤其是在考虑到IGBT的低成本后。在这个应用领域中，碳化硅（SiC）FET一直在稳步取代IGBT，因为它具有更低的开关损耗和导电损耗。这有两个原因：首先，如上文所述，由于双极电流带来的陷阱电荷，IGBT的关闭速度慢。而SiC FET则由于只有电子流动，打开和关闭的速度都快，因而开关损耗小。更重要的是，IGBT的电流路径上始终有一个PN结，或者来自IGBT自身，或者来自其反并联二极管（分别出现在正向导电和反向导电情况下）。由于SiC材料的电阻较低，且没有PN结压降，SiC FET在所有电流等级下的导电损耗均较小，但是在小功率下优势明显，而电动车很多时候都在小功率下运行。SiC FET不需要反并联二极管，因此无论正向电流还是反向电流（在开关死区时间后）都没有“膝点”电压。

运行模式与功率因数（PF）相关。如果功率因数为正，则电路为逆变器模式，从电池获取能量来驱动电动机。如果功率因数为负，则电路成为整流器，将能量输送回电池。理想情况下，功率因数要尽可能接近+1或-1，以实现最大效率。

改变功率因数能突显所用FET的损耗。此处的关键指标是正向和反向导电损耗，以及打开和关闭时的开关损耗。这些加起来就得到了每个FET的总损耗。在逆变器或整流器模式下，大部分导电损耗分别来自正向或反向电流。请注意，正向电流从漏极流向源极（使用IGBT时则是从集电极流向发射极）。用于电动机的IGBT仅正向导电，因此需要反并联二极管来传导反向电流。这意味着电流方向不同，导电损耗和由此而来的IGBT和二极管热量也会不同。SiC FET则在正向电流和反向电流下都有相同的导电损耗（在死区时间后），且电流经过相同的芯片，因此芯片利用率更高，功率密度也更高。

在进行设计以便在逆变器模式和整流器模式下获得高能效时，有一个要检查的指标是反向恢复电荷，还有每个FET在打开时的开关损耗。例如，如果在顶半部后打开的半桥底部FET的电流反向流动，顶部会经历反向恢复。这会导致残余电流流入半桥的底部FET，从而提高打开时的开关损耗。因此，反向恢复电荷是重要的FET参数。事实上，正是因为SiC器件的反向恢复电荷很低，它才能普遍取代IGBT，将效率提高几个百分点。这会带来单次充电行驶里程或车辆成本方面的切实好处。

UnitedSiC在这些应用领域进行过几次实验，来比较SiC FET与IGBT。UnitedSiC还分享了设计工具，让工程师们能够快速模拟其零件在不同运行条件下的性能，如功率因数、电池电压、相数和电动机输出功率。

有一件事是肯定的，再生制动与最终消费者的关系正在变得更密切，并且应在设计阶段认真考虑效率等级。

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December 2018 - 用户指南 - version 4.0