電動(dòng)汽車(chē)終將成為人們首選的交通方式。從外觀(guān)上看，電動(dòng)汽車(chē)和現(xiàn)在馬路上遍布的汽車(chē)毫無(wú)區(qū)別。有區(qū)別的是內(nèi)部電機(jī)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(dòng)汽車(chē)在保持效率、整體性能和行駛里程時(shí)的設(shè)計(jì)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(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē) (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的勢(shì)頭已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)拐點(diǎn)，我們很難想象未來(lái)道路上沒(méi)有多少輛電動(dòng)汽車(chē)的情景。這不僅大大改變了我們的購(gòu)買(mǎi)偏好和駕駛習(xí)慣，還改變了我們對(duì)汽車(chē)的看法。

我們來(lái)想象一下 Henry Ford 之前的世界。那時(shí)加油的地方非常少，所以早期的車(chē)主通常會(huì)把油罐綁在汽車(chē)的外面。里程焦慮也是家常便飯。然而，很少有人會(huì)考慮給內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)加油需要多長(zhǎng)時(shí)間。畢竟，這總比給馬喂食喂水來(lái)得快。事實(shí)上，這可能是擁有汽車(chē)的一個(gè)主要吸引力；因?yàn)槲覀儾⒉恍枰紤]太多。機(jī)械部件取代了馬夫，實(shí)際的擁有成本最終會(huì)變得顯而易見(jiàn)，但車(chē)輪已經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。

此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)輪不僅僅是一個(gè)比喻，這也是汽車(chē)的意義所在。電動(dòng)汽車(chē)意味著車(chē)輪是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)而不是由活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但目標(biāo)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(jī)中，化學(xué)能（燃油）會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能（運(yùn)動(dòng)），動(dòng)能隨后會(huì)轉(zhuǎn)化為所有能量的熵態(tài)，即熱量，以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的移動(dòng)。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，這個(gè)過(guò)程中還有另一個(gè)階段，即捕獲未使用的動(dòng)能。此過(guò)程被稱(chēng)為再生制動(dòng)，但它真正的意思是，利用車(chē)輛的動(dòng)力來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，而不是讓電機(jī)賦予車(chē)輛動(dòng)力。這樣電機(jī)就變成了發(fā)電機(jī)，而產(chǎn)生的電力又會(huì)反饋到電池。如此便能增加電動(dòng)汽車(chē)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(guò)優(yōu)化的電機(jī)/發(fā)電機(jī)在電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)模式下都非常高效。逆變是另一個(gè)關(guān)鍵階段。逆變器電路負(fù)責(zé)將電池輸出的高電壓轉(zhuǎn)換為交流電 (AC)，以便驅(qū)動(dòng)電機(jī)。AC 波形的幅度和頻率決定了轉(zhuǎn)速。通常，牽引電機(jī)為三相電機(jī)，所以逆變器需要將直流電池電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿齻€(gè) 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(duì)于汽車(chē)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(jì)工作的重點(diǎn)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(shì)，只是其關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗更為顯著。因?yàn)榈湫偷碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低，所以這是一個(gè)不錯(cuò)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(kāi)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(huì)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(dòng)，所以 SiC FET 的導(dǎo)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)速度較快，因此其開(kāi)關(guān)損耗也比較低。更重要的是，IGBT 的電流路徑中通常會(huì)存在一個(gè) PN 結(jié)，這可能來(lái)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(dòng)汽車(chē)最常運(yùn)行的低功率下也具有明顯優(yōu)勢(shì)。SiC FET 無(wú)需反并聯(lián)二極管，因此不存在正向或反向電流的 “拐點(diǎn)” 電壓（在開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)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(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。如果 PF 為負(fù)，則電路處于整流模式，此時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)效率最大化。

改變 PF 會(huì)凸顯出所用 FET 的損耗。損耗的關(guān)鍵指標(biāo)是正向和反向傳導(dǎo)損耗，以及導(dǎo)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗。這四項(xiàng)相加便得到了各個(gè) 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(qǐng)注意，正向電流是指從漏極流至源極（對(duì)于 IGBT 來(lái)說(shuō)，是從集電極流至發(fā)射極）的電流。用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 IGBT 只進(jìn)行正向傳導(dǎo)，所以需要一個(gè)反并聯(lián)二極管來(lái)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(huì)有所差異。另一方面，SiC FET 在相同的傳導(dǎo)損耗（在死區(qū)時(shí)間后）下，通過(guò)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/