目前有兩大因素影響著車輛運(yùn)輸和半導(dǎo)體技術(shù)的未來,。行業(yè)正在擁抱令人振奮的新方法,，即以清潔的電力驅(qū)動(dòng)我們的汽車,，同時(shí)重新設(shè)計(jì)支撐電動(dòng)汽車(EV)子系統(tǒng)的半導(dǎo)體材料,，以最大程度地提高功效比,，進(jìn)而增加電動(dòng)汽車的行駛里程。

政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)繼續(xù)要求汽車OEM減少其車系的整體二氧化碳排放量,，對(duì)違規(guī)行為給予嚴(yán)厲處罰,，同時(shí)開始沿著道路和停車區(qū)域增設(shè)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。但是,，盡管取得了這些進(jìn)展,，主流消費(fèi)者仍然對(duì)電動(dòng)汽車的行駛里程存有疑慮，使電動(dòng)汽車的推廣受到阻力,。

更復(fù)雜的是,，大尺寸的電動(dòng)汽車電池雖然可以增加其行駛里程，緩解消費(fèi)者關(guān)于行駛里程的焦慮,，但它會(huì)令電動(dòng)汽車的價(jià)格上漲——電池成本在整車成本中的占比超過25%,。

幸運(yùn)的是，同時(shí)期的半導(dǎo)體技術(shù)革命催生了新的寬帶隙器件,，例如碳化硅(SiC) MOSFET功率開關(guān),，使得消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車行駛里程的期望與OEM在成本架構(gòu)下實(shí)際可實(shí)現(xiàn)里程之間的差距得以縮小。

圖1.電動(dòng)汽車中的功率轉(zhuǎn)換部件,。

電機(jī)逆變器將高壓電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流波形來驅(qū)動(dòng)電機(jī),，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。

充分利用SiC技術(shù)

圖2.電池至電機(jī)信號(hào)鏈,。為了增加行駛里程,，每個(gè)模塊都應(yīng)設(shè)計(jì)為可提供最高能效。

眾所周知,，基于SiC的功率開關(guān)本身在功率密度和效率方面具有優(yōu)勢,，這對(duì)于系統(tǒng)散熱和減小器件尺寸都有重要意義。采用SiC有望使逆變器尺寸在800 V/250 kW時(shí)縮小3倍,，如果配合使用直流環(huán)節(jié)薄膜電容,，則能進(jìn)一步減小尺寸和節(jié)省成本。與傳統(tǒng)的硅功率開關(guān)相比,，SiC功率開關(guān)可以幫助實(shí)現(xiàn)更出色的行駛里程和/或更小的電池尺寸,，使得開關(guān)成本在器件級(jí)別和系統(tǒng)級(jí)別都更具優(yōu)勢。

在同時(shí)考慮行駛里程和成本因素時(shí)，仍然需要以電機(jī)逆變器為焦點(diǎn)不斷創(chuàng)新,，旨在進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的效率和行駛里程,。作為電機(jī)逆變器中價(jià)格最昂貴、功能最重要的元件,，SiC功率開關(guān)需要接受精準(zhǔn)控制,，以充分發(fā)揮額外的開關(guān)成本的價(jià)值。

事實(shí)上,，SiC開關(guān)的所有固有優(yōu)勢都會(huì)被共模噪聲干擾,，以及被管理不善的功率開關(guān)環(huán)境中的超快電壓和電流瞬變（dv/dt和di/dt）導(dǎo)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(shù)不談,，SiC開關(guān)的功能相對(duì)簡單，它只是一個(gè)3端器件,，但必須小心連接至系統(tǒng),。

圖3.開啟（左）和關(guān)閉（右）時(shí)的電壓和電流波形。

在SiC環(huán)境中,，dv/dt將超過10 V/ns,，這意味著開關(guān)800 V直流電壓的時(shí)間不會(huì)超過80 ns。

同樣,，di/dt為10 A/ns時(shí),，意味著在80 ns內(nèi)電流為800 A，從中可以觀察到di/dt的變化,。

關(guān)于柵極驅(qū)動(dòng)器

圖4.隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器橋接了信號(hào)世界（控制單元）和功率世界（SiC開關(guān)）,。

除了隔離和信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器還執(zhí)行遙測,、保護(hù)和診斷功能,，使其成為信號(hào)鏈的關(guān)鍵元件。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的作用關(guān)系到功率開關(guān)的最佳開關(guān)點(diǎn),，確保通過隔離柵實(shí)現(xiàn)短而準(zhǔn)確的傳播延遲,，同時(shí)提供系統(tǒng)和安全隔離，避免功率開關(guān)過熱,，檢測和防止短路,，并促使在ASIL D系統(tǒng)中插入子模塊驅(qū)動(dòng)/開關(guān)功能。

但是,，SiC開關(guān)導(dǎo)致的高擺率瞬態(tài)會(huì)破壞跨越隔離柵的數(shù)據(jù)傳輸,，所以測量和了解對(duì)這些瞬變的敏感性至關(guān)重要。ADI專有的iCoupler?技術(shù)具有出色的共模瞬變抗擾度(CMTI),，測量性能高達(dá)200 V/ns及以上,。在安全操作環(huán)境中,，這可以充分釋放SiC開關(guān)時(shí)間的潛力。

圖5. 20多年來,，ADI一直走在數(shù)字隔離技術(shù)發(fā)展的前沿,，推出了iCoupler?數(shù)字隔離IC。

該技術(shù)采用帶有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器,。

數(shù)字隔離器采用晶圓CMOS工藝,。變壓器采用差分架構(gòu)，具有出色的共模瞬變抗擾度,。

在Wolfspeed等領(lǐng)先的SiC MOSFET功率開關(guān)提供商的實(shí)際測試中,，高性能柵極驅(qū)動(dòng)器已證實(shí)了自身的價(jià)值。對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)性能,，例如短路檢測時(shí)間和總故障清除時(shí)間,，可分別低至300 ns和800 ns,。為了提高安全性和保護(hù)等級(jí),，測試結(jié)果表明，可調(diào)的軟關(guān)斷能力對(duì)系統(tǒng)能否平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要,。

同樣,，可以最大程度提高開關(guān)能量和電磁兼容性(EMC)，以最大限度提高功率性能和電動(dòng)汽車的行駛里程,。驅(qū)動(dòng)能力更高時(shí),，用戶可以獲得更快的邊緣速率，從而降低開關(guān)損耗,。這不僅有助于提高效率,，而且無需為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配外部緩沖器，從而節(jié)省了電路板空間和成本,。相反,，在某些條件下，系統(tǒng)可能需要降低開關(guān)速度來實(shí)現(xiàn)出色的效率,，甚至需要分級(jí)開關(guān),，研究表明以上可以進(jìn)一步提高效率。ADI提供可調(diào)壓擺率,，允許用戶進(jìn)行此操作,，去除外部緩沖器則進(jìn)一步減少了阻礙。

系統(tǒng)要素

需要注意的是,，柵極驅(qū)動(dòng)器和SiC開關(guān)解決方案的綜合價(jià)值和性能可能完全被周圍組件的妥協(xié)和/或低效抵消,。ADI在功率控制和傳感方面的經(jīng)驗(yàn)和我們系統(tǒng)級(jí)的性能優(yōu)化方法相結(jié)合，可以涵蓋多種設(shè)計(jì)考量,。

從整體角度來看,，電動(dòng)汽車顯露了優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)功率效率的額外機(jī)會(huì)，這對(duì)于在確保安全可靠運(yùn)行的同時(shí)最大限度利用電池可用容量來說至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)的品質(zhì)直接影響電動(dòng)汽車每次充電所能行駛的里程數(shù),。優(yōu)質(zhì)的電池管理系統(tǒng)能夠最大限度地延長電池的整體使用壽命,，從而降低總擁有成本(TCO)。

就功率管理而言,，能夠在不降低BOM成本或減小PCB尺寸的情況下克服復(fù)雜的電磁干擾問題(EMI)將變得至關(guān)重要,。無論是隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(guān)鍵考慮因素。在所有情況下,，能否消除電磁干擾對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員而言極為重要,。涉及到開關(guān)多個(gè)電源時(shí)，電磁干擾是一個(gè)非常關(guān)鍵的痛點(diǎn),，如果EMC性能出色,，則非常有助于減少測試周期和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，從而加快上市速度,。

如果深入研究支持部件的生態(tài)系統(tǒng),，會(huì)發(fā)現(xiàn)電磁傳感技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)產(chǎn)生了新一代無接觸電流傳感器，該傳感器能夠提供高帶寬,、高精度,，而且無功率損耗，此外,，還推動(dòng)產(chǎn)生了精密且可靠的位置傳感器,，適用于軸端和軸外布置。典型的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中部署15到30個(gè)電流傳感器,，并采用旋轉(zhuǎn)和位置傳感器來監(jiān)測牽引電機(jī),。在干擾電磁場下的精度和可靠性是跨電動(dòng)汽車功率系統(tǒng)測量和保持性能的重要屬性。

端到端效率

從電池到電機(jī)逆變器,，再到支持組件等,，從整體來看電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的所有元件，ADI發(fā)現(xiàn)了無數(shù)改進(jìn)電動(dòng)汽車的機(jī)會(huì),，可以提升其整體能效,，還能增加電動(dòng)汽車行駛里程。隨著SiC功率開關(guān)技術(shù)滲透到電動(dòng)汽車電機(jī)逆變器中,，數(shù)字隔離已成為其中一個(gè)重要的組成部分,。

同樣，汽車OEM可以利用多學(xué)科方法來優(yōu)化電動(dòng)汽車,，以確保所有可用的功率檢測和控制器件密切配合,，以最大限度提升性能和效率,。同時(shí)，它們可以幫助消除主流消費(fèi)者購買電動(dòng)汽車的最后一個(gè)障礙,，即行駛里程和成本,，同時(shí)幫助打造更環(huán)保的未來。

參考資料

1 Richard Dixon,?！拔磥砥囀褂玫腗EMS傳感器?！钡?屆年度汽車傳感器和電子峰會(huì),，2019年2月。

作者簡介

Timothé Rossignol擁有圖盧茲大學(xué)電氣工程碩士和博士學(xué)位,。過去10年,，他一直在汽車行業(yè)工作，對(duì)整個(gè)供應(yīng)鏈擁有豐富的經(jīng)驗(yàn),。Timothé在法國開啟了自己的職業(yè)生涯,，最開始是在OEM和一級(jí)供應(yīng)商公司工作，之后轉(zhuǎn)戰(zhàn)英國,，擔(dān)任硬件設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人,。他于2018年加入ADI位于愛爾蘭利默里克的分公司，擔(dān)任系統(tǒng)工程師,，近期他已返回法國，擔(dān)任電動(dòng)交通功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)營銷經(jīng)理,。