碳化硅逆變器如何幫助汽車延長(zhǎng)行駛里程

過去，連接發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)的核心裝置是變速箱。電動(dòng)汽車時(shí)代來(lái)臨，牽引逆變器成功代替變速箱，成為電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的核心。然而隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的進(jìn)一步增長(zhǎng)，對(duì)牽引逆變器的要求也水漲船高。

牽引逆變器是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)核心的關(guān)鍵部件，可以把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。逆變器可以直接影響電池電量，并最終影響消費(fèi)者的駕駛體驗(yàn)。它負(fù)責(zé)安全、準(zhǔn)確、高效地控制電動(dòng)馬達(dá)，以實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程、響應(yīng)能力、平穩(wěn)性、牽引力和操控性。

近日，德州儀器（TI）推出一款高集成度的功能安全合規(guī)型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器UCC5880-Q1，助力工程師設(shè)計(jì)更高效的牽引逆變器，并更大限度地延長(zhǎng)電動(dòng)汽車 (EV) 行駛里程。這款增強(qiáng)型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供的功能可使電動(dòng)汽車動(dòng)力總成工程師能夠在提高功率密度、降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其安全和性能目標(biāo)。

逆變器的四大挑戰(zhàn)

發(fā)布會(huì)上，TI分享了他們?cè)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93/">半導(dǎo)體創(chuàng)新領(lǐng)域的四大目標(biāo)：第一，幫助用戶更大限度地延長(zhǎng)汽車行駛里程；第二，幫助我們的客戶改進(jìn)電動(dòng)汽車的充電性能和效率；第三，通過半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新和更迭，讓電動(dòng)汽車變得更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；第四，因?yàn)槠囆旭偵婕鞍踩珕栴}，我們致力于幫助客戶設(shè)計(jì)安全可靠的電動(dòng)汽車。總結(jié)一下，就是要更高的續(xù)航里程，更快的充電速度以及更低的電池成本。

此外，在在進(jìn)行電動(dòng)汽車高壓電源以及電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，TI的客戶也提出了四大目標(biāo)。第一，希望設(shè)計(jì)出更高效的牽引逆變器；第二，需要提高功率密度，在輸出相同功率的情況下減小體積，或是在相同體積的情況下輸出更大功率；第三，需要設(shè)計(jì)出高可靠性的系統(tǒng)，因?yàn)闋恳孀兤骱蛣?dòng)力相關(guān)，安全可靠非常重要；第四，雖然系統(tǒng)要求不斷提高，但從設(shè)計(jì)的角度還是需要降低系統(tǒng)復(fù)雜度，使用更少的元器件設(shè)計(jì)出相同功能的系統(tǒng)。

然而要真正解決這四大挑戰(zhàn)并不容易。從設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，牽引逆變器需要有更大的功率，還需要實(shí)現(xiàn)安全、可靠和高效。市面上，牽引逆變器產(chǎn)品的效率已經(jīng)達(dá)到了90% 以上，繼續(xù)優(yōu)化比較困難，更高壓的設(shè)計(jì)需求和新半導(dǎo)體器件的使用，會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更迭和散熱限制等挑戰(zhàn)。

據(jù)悉，本次TI的新產(chǎn)品可以解決以上四個(gè)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員根據(jù)工況提高牽引逆變器的整體效率；產(chǎn)品的高集成度還可以幫助客戶降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并提高系統(tǒng)功率密度。同時(shí)，芯片符合功能安全 ASIL-D 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以系統(tǒng)的可靠性就可以實(shí)現(xiàn)很大的提升。

值得注意的是，使用TI的器件優(yōu)化系統(tǒng)后，牽引逆變器的運(yùn)行效率可以提升最大約 2%。TI介紹，目前的產(chǎn)品效率已經(jīng)很高，牽引逆變器高壓模塊從 IGBT 換成 SiC 后還會(huì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，所以即使是 2% 的提升，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)都是非常高的提升。

碳化硅的作用

數(shù)據(jù)指出，如果能對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可以將逆變器系統(tǒng)效率提升最大約2%，也就是說(shuō)，若用戶每周充三次電，每次充電都可以提升 11 公里的行駛里程，一年下來(lái)行駛里程可以提升約 1600 公里。

怎么才能實(shí)現(xiàn)更快速、更安全、更高效地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)？碳化硅可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)速度，從系統(tǒng)效率的角度來(lái)說(shuō)，開關(guān)速度越快，開關(guān)損耗越低，效率也就越高；從系統(tǒng)可靠性的角度來(lái)說(shuō)，開關(guān)速度越快，可能導(dǎo)致更大的電壓過沖，進(jìn)而影響模塊可靠性。TI提供的可調(diào)驅(qū)動(dòng)功能可以讓用戶實(shí)現(xiàn)開關(guān)速度和電壓過沖的平衡。通過對(duì)系統(tǒng)不同工況下的驅(qū)動(dòng)能力調(diào)節(jié)，以及每次開關(guān)周期中導(dǎo)通和關(guān)斷電流能力的調(diào)節(jié)，UCC5880-Q1可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)更高的效率和系統(tǒng)可靠性

汽車制造商可以使用 UCC5880-Q1 進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)建更安全、更高效、更可靠的碳化硅 (SiC) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 牽引逆變器，使其具備實(shí)時(shí)可變的柵極驅(qū)動(dòng)能力、串行外設(shè)接口 (SPI)、功率模塊監(jiān)控和保護(hù)以及功能安全診斷。

此外，UCC5880-Q1 具有 SPI 通信接口以及集成的監(jiān)控和保護(hù)功能，可降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、減少外部元器件成本。工程師可以使用 SiC EV 牽引逆變器參考設(shè)計(jì)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并快速設(shè)計(jì)出一套更高效的牽引逆變器系統(tǒng)原型。這種經(jīng)過測(cè)試的可定制設(shè)計(jì)包括 UCC5880-Q1、輔助電源模塊、實(shí)時(shí)控制 MCU 和高精度傳感器。

電動(dòng)汽車在近幾年飛速發(fā)展，離不開汽車?yán)m(xù)航的快速增長(zhǎng)。而續(xù)航成長(zhǎng)的“質(zhì)變”，正是由一個(gè)又一個(gè)UCC5880-Q1這樣的“量變”來(lái)推動(dòng)的。未來(lái)，TI 借助先進(jìn)的高壓技術(shù)和芯片技術(shù)的創(chuàng)新，幫助用戶設(shè)計(jì)更加高效且更加可靠的牽引逆變器，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程。