將 SiC 技術(shù)用于功率逆變器是增加扭矩和加速度以及提升汽車(chē)整體性能的好方法。

安森美半導(dǎo)體在電動(dòng)方程式世界錦標(biāo)賽中與梅賽德斯-EQ 方程式 E 合作開(kāi)發(fā)下一代電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)。安森美半導(dǎo)體與梅賽德斯 AMG 的高功率性能 （HPP） 部門(mén)之間的技術(shù)合作為賽車(chē)提供了技術(shù)改進(jìn)。

在接受 EE Times 采訪時(shí)，安森美半導(dǎo)體全球系統(tǒng)工程副總裁 Dave Priscak 強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)和測(cè)試如何在 Formula E 中齊頭并進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)逆變器功率級(jí)的持續(xù)改進(jìn)。

“當(dāng)我們開(kāi)始參加 Formula E 時(shí)，我們作為贊助商加入，只與梅賽德斯車(chē)隊(duì) PETRONAS 合作——我們正在尋找一些方法來(lái)展示我們?yōu)殡妱?dòng)汽車(chē) （EV） 市場(chǎng)所做的和正在做的事情。但很快，通過(guò)與他們的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)合作，我們意識(shí)到從工程的角度來(lái)看，我們可以互相學(xué)習(xí)很多東西。因此，它更像是一種伙伴關(guān)系，而不是贊助。我們的設(shè)計(jì)工程師正在與電動(dòng)方程式的動(dòng)力系統(tǒng)工程師合作，為電動(dòng)方程式開(kāi)發(fā)下一代牽引逆變器和動(dòng)力傳輸系統(tǒng)。我們學(xué)到的大部分知識(shí)都可以應(yīng)用于商業(yè)解決方案，但扭矩比與您發(fā)現(xiàn)的有很大不同在一輛普通的汽車(chē)?yán)?，”普里斯克說(shuō)。

電動(dòng)方程式賽車(chē)的核心是動(dòng)力裝置，即推進(jìn)系統(tǒng)，它由三個(gè)元件組成：電池、逆變器和電機(jī)。逆變器是系統(tǒng)的大腦。它負(fù)責(zé)把從電池中取出的直流電轉(zhuǎn)換成高密度的交流電送至發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，在減速期間，再生電機(jī)制動(dòng)被激活，電流沿反向路徑流動(dòng)。電動(dòng)方程式是唯一一項(xiàng)測(cè)試下一代電動(dòng)汽車(chē)最新技術(shù)的賽車(chē)賽事。

碳化硅技術(shù)

作為寬帶隙半導(dǎo)體，碳化硅表現(xiàn)出比硅更大的帶隙能量（3.2eV，約為硅的三倍，等于1.1eV）。因?yàn)樾枰嗟哪芰縼?lái)激發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電帶中的價(jià)電子，所以可以實(shí)現(xiàn)更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫?zé)岱€(wěn)定性。SiC MOSFET 的主要優(yōu)點(diǎn)是低漏源導(dǎo)通電阻 （R DS（ON） ），在相同擊穿電壓下比硅器件低 300-400 倍。

在逆變器中使用 SiC 技術(shù)的好處包括更小的電路和更輕的重量、改善重量分布和降低整體功耗。這是因?yàn)?SiC MOSFET 可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，從而減小了逆變器中所需的許多電路元件的尺寸。SiC 器件還可以在比標(biāo)準(zhǔn)硅功率半導(dǎo)體更高的電壓和電流下工作，即使在高溫下也能提高功率密度并降低開(kāi)關(guān)損耗。

賽車(chē)逆變器

Formula E 提供了有關(guān)如何最大限度地提高效率和延長(zhǎng)電池壽命的見(jiàn)解。Priscak 指出，如何在動(dòng)力系統(tǒng)中盡可能高效地傳遞能量是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

賽車(chē)需要能夠承受劇烈沖擊、強(qiáng)烈振動(dòng)和極端溫度的技術(shù)。此外，半導(dǎo)體器件的效率越高，耗散的功率和浪費(fèi)的熱量就越少，從而提高了每瓦功率比。與此同時(shí)，工程師們還致力于減少汽車(chē)的部件，以節(jié)省重量和空間。

正如 Priscak 指出的那樣，在 Formula E 領(lǐng)域，它幾乎完全是碳化硅。從電池到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率級(jí)非常簡(jiǎn)單。然而，電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，但功率轉(zhuǎn)換與當(dāng)前的電動(dòng)汽車(chē)并沒(méi)有太大區(qū)別。“問(wèn)題在于，在 E 級(jí)方程式中，你必須在賽道上進(jìn)行大約 45 分鐘的加速和制動(dòng)。所以最大的挑戰(zhàn)是盡可能多地回收能量。這非常困難。因?yàn)槟阌写蠖痰谋l(fā)力，而電池?zé)o法吸收所有這些，”P(pán)riscak 說(shuō)。

目前，動(dòng)力總成面臨的一些最大挑戰(zhàn)是能夠在制動(dòng)期間捕獲所有能量并實(shí)際為電池充電。比賽規(guī)則每場(chǎng)比賽只允許使用一個(gè)電池，因此我們的目標(biāo)是研究這項(xiàng)技術(shù)，不僅要盡可能多地回收電池，還要盡可能高效地使用它。

電能存儲(chǔ)技術(shù)（通常被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)的最大推動(dòng)力和限制因素）性能是為電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)提供電力的關(guān)鍵。有多種存儲(chǔ)電能的技術(shù)，例如超級(jí)電容器、化學(xué)電池、固態(tài)電池等。鋰離子 （Li） 化學(xué)電池目前在性能和商業(yè)可行性之間提供了最實(shí)用的平衡。

創(chuàng)造下一代柵極驅(qū)動(dòng)器是安森美半導(dǎo)體關(guān)注的另一個(gè)領(lǐng)域，以最大化碳化硅 MOSFET 的導(dǎo)電面積?！安煌幵谟冢缥抑八f(shuō)，比賽只需要持續(xù) 45 分鐘，而賽車(chē)必須持續(xù) 10 年。因此，通過(guò)突破碳化硅的性能極限，我們正在學(xué)習(xí)如何最大限度地延長(zhǎng)使用壽命。在 Formula E 中，我們專(zhuān)注于從數(shù)字處理器到電機(jī)的整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)。因此，不僅僅是碳化硅，還有柵極設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)、隔離柵，以及所有決定動(dòng)力總成效率的元素，”P(pán)riscak 說(shuō)。

監(jiān)測(cè)在 Formula E 中至關(guān)重要。測(cè)量通過(guò)汽車(chē)循環(huán)的每一安培電流非常重要。每次加速、剎車(chē)或轉(zhuǎn)彎時(shí)，您不僅需要了解損失了多少能量，還需要了解可以恢復(fù)多少能量。Priscak 指出，如果駕駛員過(guò)于激進(jìn)，電池將永遠(yuǎn)無(wú)法用完。因此，需要監(jiān)控駕駛曲線，特別是加速和制動(dòng)，分析傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)方面。

“在所有這一切中，溫度是一件大事，無(wú)論是從電池的角度來(lái)看，以確保終端在加速過(guò)程中不會(huì)變得太熱，還是在所有功率級(jí)監(jiān)控溫度。有很多傳感器不僅可以用于電流和電壓，還可以用于溫度，”P(pán)riscak 說(shuō)。

碳化硅是一種非?？焖俚?a href="http://www.socialnewsupdate.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓開(kāi)關(guān)，Priscak 指出的最大挑戰(zhàn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)?！半姍C(jī)是一個(gè)大電感，討厭快速開(kāi)關(guān)。如果你有一個(gè)快速開(kāi)關(guān)進(jìn)入電機(jī)，電機(jī)需要一個(gè)正弦波。碳化硅的開(kāi)關(guān)速度比感應(yīng)負(fù)載所能承受的快得多。因此，我們驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式需要不斷創(chuàng)新，”P(pán)riscak 說(shuō)。

Formula E 正在突破電力電子技術(shù)的極限，并帶來(lái)一系列新的 SiC 解決方案。電動(dòng)汽車(chē)將受益于新的 SiC 電源解決方案，因?yàn)樗哂懈?jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)、更長(zhǎng)的續(xù)航里程和更好的性能。它們還將延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的電池壽命，并且通過(guò)改進(jìn)的車(chē)載充電器 （OBC） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，電池充電速度將大大加快。芯片公司和 Formula E 之間的眾多合作伙伴關(guān)系將使電動(dòng)汽車(chē)受益于眾多工程解決方案，不僅來(lái)自 SiC 芯片制造商，而且來(lái)自 GaN 芯片制造商。