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现在各种电气化车辆上都会有一个必不可少的部件，叫PCU，也叫动力控制单元，它主要的组成部分包括三个，一个是逆变器（inverter），一个直流转换器（DC-DC converter），再加上一个升压转换器（boost converter）。这三个部件的作用也很明确，升压转换器先把电池的电提升电压，比如特斯拉model 3的电池组供电为350V，经过升压之后达到650V，然后经过逆变器，逆变器将电池的直流电转换成交流电，交流电给驱动电机供电，这样车辆行进。而直流转换器则是为了给车上的12V车载设备供电，以及给12V蓄电池供电。 在现在主流的PCU方向里面，逆变器和升压转换器都是集成在一起的。目前主流车厂仍然使用IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件，但是像特斯拉这样的厂家已经在model 3车型上开始使用SiC MOSFET（碳化硅功率场效应晶体管）。这篇文字就是要介绍从IGBT转向SiC的意义。
首先我们聊一下在IGBT器件的时代，到底PCU里的升压逆变器达到了什么样的水平。 首先IGBT器件也不是一成不变的，目前可追溯的2010年的第三代丰田普锐斯上面的那一套PCU，就能达到如下图的效率。
L这幅图是第三代普锐斯的逆变器效率图，其中已经包含了升压的过程。可以看到当电机转速在4000转左右到13000转，电机输出扭矩在20到140牛米的一个窄小区间内，逆变器效率可以在99%，而到了外圈部分，逆变器效率越来越低，最低的电机转速1000转左右的地方，效率只有86%。 而恰好电机转速低的地方也就是城市里车辆慢速蠕动的时候。86%的效率还是损失了不少能量的。 那么时间来到2016年，基于IGBT的逆变器的技术有了不小的发展，直接体现就是在BMW的i3车型上，这台逆变器相对之前的效率有了不小的提升。如下图所示。
从上图可以看到，在转速大约1000到2000转之间，逆变器的效率也能达到92%到95%。这一成果主要得益于WBG-based inverter的技术。这一技术叫“high-voltage–wide bandgap”，也叫基于高压宽禁带半导体的逆变器。 然而这一技术仍然是基于IGBT器件的。真正能再次将逆变器效率提升一个台阶的，则是基于SiC MOSFET，也就是前面说的碳化硅功率场效应晶体管，并做一系列的效率提升模拟。 包括使用二相调制方案减少器件的开关损失，相对之前的三相调制方案，能减少大约30%的损失。 然后使用MOSFET和二极管减少空转周期内的二极管导电损失，这个可以最多减少59.7%的导电损失。 那么这一系列的技术应用会带来多大的提升呢，美国能源部橡树岭国家实验室做了一个模拟计算，得到了如下的逆变器效率图。
可以看到，最大效率从原来的99%提升到了99.6%，而2000转以下的区间里，1000转左右的地方可以达到96%的效率，600转左右可以达到94%的效率。相比之前的1000转附近效率92%，500转附近效率85%。在低转区间提升的效率点数约为4到8个百分点。 也许有人觉得，逆变器效率已经这么高了，再提高这可怜的几个百分点有什么意义？ 意义非常重要，它可以大幅降低工作过程中的发热，减少散热设施，从而将设备造的更加紧凑。 比如从85%到94%的效率提升，意味着发热的能量从15%降低到了6%，少了一大半。在3000转附近效率从97%提升到99%，意味着发热的能量从3%降低到了1%，少了三分之二的热量。 除了效率的提升，SiC的功率半导体在输出电压和功率密度上也大幅提升。本文前面提到，逆变器都是在升压变换器之后的，也就是电池的电会先经过升压之后，再进入逆变器了转换为交流电。那么使用SiC的升压变换器会大幅度提升功率密度和输出电压。 同样是业界的咨询报告也表达了这一观点，下面这个截图来自法国的yole development，一家专注于半导体器件的咨询公司。
正是因为功率密度的提升以及发热的减少，所以使用SiC的电动车或者混动车的PCU部件体积可以大幅缩小。以下面这幅电装的技术展望为例，如果全面使用SiC器件，整个PCU的体积将会减少80%。
除了美国能源部对SiC MOSFET看好之外，业界的厂家也非常积极的推进这一产品。这其中最起劲的就是德国的英飞凌Infinieon. 根据英飞凌自己出具的分析报告，碳化硅相对纯硅的IGBT，在半导体的开关损耗上大幅降低。 如下面的图所示，在turn-off loss，也就是关断损耗上，碳化硅器件的能量损耗只相当于纯硅IGBT的10分之一只有。在turn-on loss，也就是导通损耗上，能量损耗也只有大约一半左右。
那么，碳化硅这么好，它有没有问题呢？ 其实问题是有的，最大的问题就是成本。 根据2017年的加州空气委员会雇佣Ricardo, Munro&Associates, ZM的一份报告， 如果使用SiC做逆变器，将会带来一系列的成本增加。 根据报告的分析，以丰田第四代普锐斯的直流变换器，升压变换器，以及逆变器为例，使用SiC会带来大约105美元的物料成本的增加。 Toyota Prius DC/DC, Boost Converter, Motor Inverter Cost & Weight Potential Analysis
也许很多人不清楚增加105美元意味着什么。那么我们就以普锐斯的整个Power Inverter Module模块的成本来算。下面的表格表示，如果第四代普锐斯年产20万辆，那么其整个Power Inverter Module成本其实只有566美元。注意这里的Power Inverter Module是包含了上述的三个部分的，即直流转换器，升压转换器和逆变器。按照报告的说法： The Toyota Prius Power Inverter Module provides three distinct functions. Provide motor control switching high voltage DC to three phase AC (Vehicle Traction Motor and Vehicle Motor Generator), convert high voltage three phase AC to high voltage DC (Motor Generator), and converting low voltage DC to high voltage DC (Boost Conversion) or high voltage DC to low voltage DC (Buck Conversion; 12-volt for typical vehicle electrical architecture).
也就是说整个PIM模块其实成本只有566的情况下，就要增加105美元。对这个模块而言，成本的增加比例是很高的。 当然，这些工业化产品，真正实现大规模生产之后，成本很少是问题，除了需要采用稀有原材料的之外。 所以我们可以很容易的看到，将来的电驱动车辆会普及SiC器件，让电驱动车辆跑的更远。 原文题目：从IGBT到SIC，这些年电动车的动力升级都经历了什么？ 作者：速度周刊 大明 *免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，泰科天润半导体转载仅为了传达一种不同的观点，不代表泰科天润半导体对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系泰科天润半导体。 |
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