?英飞凌新型混合功率器件助力新能源汽车实现高性价比电驱

近几年新能源车发展迅猛，技术创新突飞猛进。如何设计更高效的牵引逆变器使整车获得更长的续航里程一直是研发技术人员探讨的最重要话题之一。高效的牵引逆变器需要在功率、效率和材料利用率之间取得适当的平衡。

当前新能源汽车牵引逆变器的功率半导体器件几乎都是基于单一的硅基(Si) 或者碳化硅基（SiC）。Si IGBT 或宽带隙 SiC MOSFET功率半导体具有不同的性能特点，可以适合不同的目标应用。单一性质的IGBT器件或SiC器件在逆变器应用中很难同时满足高效和成本的要求。

如今越来越多的设计人员希望以创造性的方式使用和组合半导体材料，以寻找Si和SiC的最佳平衡点。创新方法挑战了以往某些应用被锁定在特定一种半导体材料上的既定观念。例如，过去人们认为逆变器的设计必须使用相同的半导体材料。现在，融合技术正在将为新的设计可能性铺平道路。英飞凌将不同的半导体材料创新性地结合到新型逆变器设计中，在成本和性能优化方面实现市场驱动的平衡。

本文将探讨英飞凌在混合式功率半导体创新技术方面为高效牵引逆变器在效率、成本和可持续性之间寻找更好的平衡点。

SiC mosfet 和Si IGBT 的性能对比

在探讨新能源车的牵引逆变器功率器件首选是SiC还是Si 器件之前，我们先简单对比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性：

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从导通特性看，由于不同的物理结构，IGBT与SIC MSOFET具有不同的输出特性曲线，如下图所示。SiC MOSFET导通特性表现得更像一个电阻输出特性，而IGBT 则表现出一个非常明显的拐点(Knee Voltage)特性。这种技术上的差异即表现出两种器件不同的导通损耗特点。在电流较小时，SiC mosfet 具有更小的导通损耗，当电流较大（超过曲线交点）时，IGBT 的导通损耗则更小。

图 1 IGBT 和SIC MOSFET导通特性

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从开关特性看，IGBT属于双极性器件，在关断时由于少子的复合肯定会造成拖尾电流，使其开关损耗特性较差。而SiC MOSFET具有更快的开关速度，且没有拖尾电流, 所以其开关损耗对比IGBT具明显优势。

SiC mosfet 开关特性

IGBT 开关特性

图 2 IGBT 和SIC MOSFET开关特性

综上，SiC MOSFET器件并不是在所有负载条件下，都具有压倒性的性能优势。这也就很容易理解在选择SiC mosfet 还是Si IGBT 时需要考虑一个盈亏平衡点。

新能源车动力配置布局

新能源电动汽车的性能分配有多种选择，主流方案就是在主驱动轴和副驱动轴之间进行分配。在我们的示例中（图3），主驱动轴始终处于啮合状态，满足低功率常规续航驾驶模式，副驱动轴可提供额外扭矩，实现四轮驱动能力和最佳加速性能。当前市场上可以看到的配置基本分为 1)主驱动轴和辅驱动轴均采用了SiC功率器件; 2)主驱动轴采用高性能SiC 功率器件，而辅驱动轴则采用更具性价比的IGBT功率器件。这也是当今电动汽车的典型配置，这些方案均是建立在逆变器中使用单一的功率器件找元件，现货上，唯样商城，较难做到效率和成本之间的平衡。在评估上述方案的优劣之前，我们需要先从电动汽车的驾驶工况来分析。真实的驾驶工况对牵引逆变器的需求是什么？

图3 双电驱电动汽车动力配置

标准驾驶工况WLTP 与峰值性能需求

全球轻型汽车测试程序（WLTP）的驾驶周期反映了接近真实的驾驶任务。通过标准化，它为电动车制造商和消费者提供了比较不同车辆效率的参考值。

对于电动汽车来说，它以一定距离的能量消耗来表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加仑汽油当量英里数"（MPGe）来表示，这一指标也可以与传统内燃机汽车进行比较。

图4 全球统一轻型汽车测试程序(WLTP)

代表典型的驾驶曲线

WLTP 驾驶循环（图4）与其他任务剖面图类似，由23.3 公里距离内1800 秒的各种加速、减速和性能周期组成。鉴于驾驶方式的不同，对于WLTP 是否反映了真实世界的驾驶情况存在不同意见。但它适合作为评定汽车效率的依据。WLTP 任务描述允许电动车制造商计算特定车辆所需的电机性能及其关键参数，如重量、风阻、驾驶效率、加速度和能量回收。

从上面的WLTP 典型的驾驶工况曲线来看，超过105km/h高速工况需求的时间占比大约只有10%左右，而大约3/4的时间内车速需求是小于75km/h。

以一辆重1500 千克的汽车为例，计算出的数值绘制成直方图（图5）。该图表显示，电动车牵引逆变器的最大输出功率需要约50 KW。这说明对于电动汽车的加速、达到峰值速度所需的实际功率是非常小的。在发电模式下（见图5 中的紫色条），最大功率约为28 KW。

图5 WLTP 周期内牵引逆变器输出功率

随时间变化的情况

性能与成本

——Si还是SiC，主驱逆变器如何选择？

我们知道，牵引逆变器对电动汽车的整体性能和效率起着决定性作用。更仔细地审视逆变器的设计，成本效益和合理的额定功率以及合理的效率水平是面向更广泛市场的电动汽车取得成功的关键因素。在这个层面上，简单地说，我们要评估的是整个驱动任务剖面的最低性能和所需的峰值性能。

这些分析将可以更好地让我们理解哪种半导体技术（Si 或SiC）更适合。

在前面的例子中，80 KW的电机可以执行标准的WLTP 驱动循环，从而满足大多数驾驶要求。如果使用碳化硅来提高汽车的额定功率，那么多余的功率在大多数情况下都会被"闲置"。但是在某些情况下，80 KW可能不足以实现"有趣动感"（运动型）的驾驶体验。因此，可以添加一些硅来提高车辆的峰值性能。例如，硅部件能够额外提供160千瓦的功率。这将使汽车具有非常动感的驾驶加速性能。在另一方面，这些数值可以缩减到40 kW SiC 和80 kW Si，从而实现120kW 的入门级电动汽车功率。

至于如何在牵引逆变器内分配Si 和SiC 芯片，取决于研发设计师。鉴于有多种选择，深入研究一下电力传动系统的配置是很有意义的。

图6 适合不同需求的电力传动系统的配置

对于动力传动系统，尤其是牵引逆变器，不同的技术方案具有不同的效率、性能和成本优势，如下1~5配置。

1. 单电驱，高性能和长续航要求---大功率碳化硅逆变器
2. 单电驱，适当调整车辆性能---小功率碳化硅逆变器
3. 单电驱，成本优化的解决方案---IGBT逆变器
4. 双电驱，高性能和长续航要求---SIC逆变器作为主驱续航，IGBT 逆变器作为辅驱 提供加速动力
5. 新型电驱，成本优化，高性能和长续航要求----单逆变器中融合SiC+IGBT，SiC维持高效率续航运行，SiC+IGBT 提供峰值搞性能