電動汽車終將成為人們首選的交通方式。從外觀上看，電動汽車和現(xiàn)在馬路上遍布的汽車毫無區(qū)別。有區(qū)別的是內(nèi)部電機和能量的交換方式，其中涉及許多權(quán)衡取舍。本博文探討了電動汽車在保持效率、整體性能和行駛里程時的設(shè)計考慮因素。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

電動汽車發(fā)展的勢頭已經(jīng)達到了一個拐點，我們很難想象未來道路上沒有多少輛電動汽車的情景。這不僅大大改變了我們的購買偏好和駕駛習(xí)慣，還改變了我們對汽車的看法。

我們來想象一下 Henry Ford 之前的世界。那時加油的地方非常少，所以早期的車主通常會把油罐綁在汽車的外面。里程焦慮也是家常便飯。然而，很少有人會考慮給內(nèi)燃機汽車加油需要多長時間。畢竟，這總比給馬喂食喂水來得快。事實上，這可能是擁有汽車的一個主要吸引力；因為我們并不需要考慮太多。機械部件取代了馬夫，實際的擁有成本最終會變得顯而易見，但車輪已經(jīng)轉(zhuǎn)動起來了。

此時，轉(zhuǎn)動車輪不僅僅是一個比喻，這也是汽車的意義所在。電動汽車意味著車輪是通過電機驅(qū)動而不是由活塞式發(fā)動機驅(qū)動，但目標卻是一樣的。然而能量交換方式卻存在明顯的不同。在內(nèi)燃機中，化學(xué)能（燃油）會轉(zhuǎn)化為動能（運動），動能隨后會轉(zhuǎn)化為所有能量的熵態(tài)，即熱量，以實現(xiàn)車輛的移動。

對于電動汽車，這個過程中還有另一個階段，即捕獲未使用的動能。此過程被稱為再生制動，但它真正的意思是，利用車輛的動力來轉(zhuǎn)動電機，而不是讓電機賦予車輛動力。這樣電機就變成了發(fā)電機，而產(chǎn)生的電力又會反饋到電池。如此便能增加電動汽車的行駛里程，具體的增幅在很大程度上取決于再生階段的效率。

經(jīng)過優(yōu)化的電機/發(fā)電機在電機和發(fā)動機模式下都非常高效。逆變是另一個關(guān)鍵階段。逆變器電路負責將電池輸出的高電壓轉(zhuǎn)換為交流電 (AC)，以便驅(qū)動電機。AC 波形的幅度和頻率決定了轉(zhuǎn)速。通常，牽引電機為三相電機，所以逆變器需要將直流電池電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿齻€ AC 循環(huán)。比如將 800 V DC 轉(zhuǎn)換為大約 180 kW AC，因此，這一階段的效率對于汽車制造商提供的整體性能和行駛里程至關(guān)重要。

不出所料，這就是設(shè)計工作的重點所在。盡可能提高逆變器的效率需要使用損耗最低的組件。到目前為止，IGBT 在傳導(dǎo)損耗方面占據(jù)優(yōu)勢，只是其關(guān)斷開關(guān)損耗更為顯著。因為典型的電機驅(qū)動開關(guān)頻率相對較低，所以這是一個不錯的折衷選擇，并且 IGBT 的成本也較低。而碳化硅 (SiC) FET憑借其更低的開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，已在該應(yīng)用領(lǐng)域穩(wěn)步取代了IGBT。究其原因主要有兩方面。首先，如前所述，由于會收集雙極電流的電荷，所以 IGBT 的關(guān)斷速度比較慢。另一方面，由于只有電子流動，所以 SiC FET 的導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)速度較快，因此其開關(guān)損耗也比較低。更重要的是，IGBT 的電流路徑中通常會存在一個 PN 結(jié)，這可能來自于 IGBT 本身或其反并聯(lián)二極管，分別形成于正向或反向?qū)ㄆ陂g。由于 SiC 材料的電阻更低，且消除了 PN 結(jié)壓降，所以 SiC FET 不僅在所有電流電平下都具有更低的傳導(dǎo)損耗，而且在電動汽車最常運行的低功率下也具有明顯優(yōu)勢。SiC FET 無需反并聯(lián)二極管，因此不存在正向或反向電流的 “拐點” 電壓（在開關(guān)死區(qū)時間之后）。

工作模式與功率系數(shù) (PF) 相關(guān)。如果 PF 為正，則電路處于逆變模式，需要從電池獲取能量來驅(qū)動電機。如果 PF 為負，則電路處于整流模式，此時會將能量反饋至電池。理想情況下，PF 應(yīng)盡可能接近 +1 或 -1，以實現(xiàn)效率最大化。

改變 PF 會凸顯出所用 FET 的損耗。損耗的關(guān)鍵指標是正向和反向傳導(dǎo)損耗，以及導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)損耗。這四項相加便得到了各個 FET 的總損耗。在逆變模式或整流模式下，大多數(shù)傳導(dǎo)損耗分別產(chǎn)生于正向或反向電流。請注意，正向電流是指從漏極流至源極（對于 IGBT 來說，是從集電極流至發(fā)射極）的電流。用于電機驅(qū)動的 IGBT 只進行正向傳導(dǎo)，所以需要一個反并聯(lián)二極管來傳導(dǎo)反向電流。因此根據(jù)電流方向的不同，傳導(dǎo)損耗以及 IGBT 與二極管的發(fā)熱狀況也會有所差異。另一方面，SiC FET 在相同的傳導(dǎo)損耗（在死區(qū)時間后）下，通過相同的芯片傳導(dǎo)正向和反向電流，所以芯片利用率更高，功率密度也更高。

碳化硅(SiC) FET

https://unitedsic.com/group/sic-fets/