- 關(guān)于選IGBT還是SIC的解讀- 來源：Infineon, Xpeng, Yole, SysPro- 在保證原主旨基礎(chǔ)上，對內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)和擴展說明- 更多體系化內(nèi)容與深度解析在知識星球發(fā)布

導(dǎo)語：隨著新能源車行業(yè)快速發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新顯著，其中如何設(shè)計高效牽引逆變器以延長車輛續(xù)航里程成為研發(fā)重點。那么，如何在功率、效率和材料利用率之間找到最佳平衡點，以設(shè)計出高效的牽引逆變器，從而增加新能源汽車的續(xù)航里程？

圖片來源：YOLE

此外，當(dāng)前新能源汽車牽引逆變器主要采用硅基(Si)或碳化硅基(SiC)功率半導(dǎo)體器件，如Si IGBT和SiC MOSFET。那么，這些器件各有何性能特點，如何適應(yīng)不同的應(yīng)用需求？為何單一性質(zhì)的IGBT器件或SiC器件在逆變器應(yīng)用中難以同時滿足高效和成本的要求？

圖片來源：SysPro

今天我們一起來看下如何在混合式功率半導(dǎo)體創(chuàng)新技術(shù)方面為高效牽引逆變器在效率、成本和可持續(xù)性之間尋找更好的平衡點？

目錄

1.SiC mosfet 和Si IGBT 的性能對比

導(dǎo)通特性

開關(guān)特性

2. 新能源車動力配置布局

3. 標(biāo)準(zhǔn)駕駛工況WLTP 與峰值性能需求

3.1 標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)工況：WLTP

3.2 WLTP駕駛循環(huán)分析

• 3.3 性能與成本：Si還是SiC，主驅(qū)逆變器如何選擇？

4.1 主驅(qū)逆變器的功率“浪費”現(xiàn)象

4.2 不同動力構(gòu)型下，Si還是SiC？

4.3 雙電驅(qū)系統(tǒng)，為什么選擇SIC+IGBT

5. Si和SiC融合技術(shù)：將Si和 SiC融合在同一個牽引逆變器

6. 不同的驅(qū)動控制策略實現(xiàn)融合技術(shù)在牽引逆變器中的應(yīng)用7. 不同的實施模式有何不同？8. 英飛凌的解決方案

01

SiC mosfet 和Si IGBT 的性能對比

在探討新能源車的牽引逆變器功率器件首選是SiC還是Si 器件之前，我們先簡單對比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性。

導(dǎo)通特性從導(dǎo)通特性看，由于不同的物理結(jié)構(gòu)，IGBT與SIC MSOFET具有不同的輸出特性曲線，如下圖所示。SiC MOSFET導(dǎo)通特性表現(xiàn)得更像一個電阻輸出特性，而IGBT 則表現(xiàn)出一個非常明顯的拐點(Knee Voltage)特性。這種技術(shù)上的差異即表現(xiàn)出兩種器件不同的導(dǎo)通損耗特點：

• 在電流較小時，SiC mosfet 具有更小的導(dǎo)通損耗
• 當(dāng)電流較大（超過曲線交點）時，IGBT 的導(dǎo)通損耗則更小

圖 1 IGBT 和SIC MOSFET導(dǎo)通特性

圖片來源：英飛凌

開關(guān)特性

從開關(guān)特性看，IGBT屬于雙極性器件，在關(guān)斷時由于少子的復(fù)合肯定會造成拖尾電流，使其開關(guān)損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關(guān)速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關(guān)損耗對比IGBT具明顯優(yōu)勢。

| SysPro備注：少子復(fù)合是指在半導(dǎo)體材料中，電子和空穴在復(fù)合中心相遇并重新結(jié)合的過程，是能量損失的主要途徑之一，對器件的轉(zhuǎn)換效率有重要影響。

圖 2 IGBT 和SIC MOSFET開關(guān)特性

圖片來源：英飛凌

綜上，SiC MOSFET器件并不是在所有負(fù)載條件下，都具有壓倒性的性能優(yōu)勢。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時需要考慮一個盈虧平衡點。

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了解了SiC mosfet 和Si IGBT 的應(yīng)用特點，針對不同的動力構(gòu)型，我們應(yīng)該如何選擇呢？想要回答這個問題，我們先要了解：目前的動力構(gòu)型有哪些？以及，在標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)中究竟需要什么樣的功率特征？

02

新能源車動力配置布局

新能源電動汽車的性能分配有多種選擇，主流方案就是在主驅(qū)動軸和副驅(qū)動軸之間進(jìn)行分配。如下圖3所示，主驅(qū)動軸始終處于嚙合狀態(tài)，滿足低功率常規(guī)續(xù)航駕駛模式，副驅(qū)動軸可提供額外扭矩，實現(xiàn)四輪驅(qū)動能力和最佳加速性能。當(dāng)前市場上可以看到的配置基本分為：

1) 主驅(qū)動軸和輔驅(qū)動軸均采用了SiC功率器件;

2)主驅(qū)動軸采用高性能SiC功率器件，而輔驅(qū)動軸則采用更具性價比的IGBT功率器件。

這也是當(dāng)今電動汽車的典型配置，這些方案均是建立在逆變器中使用單一的功率器件，較難做到效率和成本之間的平衡。在評估上述方案的優(yōu)劣之前，我們需要先從電動汽車的駕駛工況來分析。真實的駕駛工況對牽引逆變器的需求是什么？

圖3 雙電驅(qū)電動汽車動力配置圖片來源：英飛凌

03

標(biāo)準(zhǔn)駕駛工況WLTP 與峰值性能需求

標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)工況：WLTP

全球輕型汽車測試程序（WLTP）的駕駛周期反映了接近真實的駕駛?cè)蝿?wù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化，它為電動車制造商和消費者提供了比較不同車輛效率的參考值。對于電動汽車來說，它以一定距離的能量消耗來表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加侖汽油當(dāng)量英里數(shù)"（MPGe）來表示，這一指標(biāo)也可以與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車進(jìn)行比較。

圖4 全球統(tǒng)一輕型汽車測試程序(WLTP) 代表典型的駕駛曲線圖片來源：英飛凌上圖4為WLTP 駕駛循環(huán)，與其他任務(wù)剖面圖類似，由23.3 公里距離內(nèi)1800 秒的各種加速、減速和性能周期組成。鑒于駕駛方式的不同，對于WLTP 是否反映了真實世界的駕駛情況存在不同意見。但它適合作為評定汽車效率的依據(jù)。WLTP 任務(wù)描述允許OEM計算特定車輛所需的電機性能及其關(guān)鍵參數(shù)，如重量、風(fēng)阻、駕駛效率、加速度和能量回收。

圖片來源：SysPro

| SysPro備注：

按工信部要求，中國于2020年開始正式執(zhí)行適合中國工況的標(biāo)準(zhǔn)CLTC駕駛循環(huán)。如下圖所示，CLTC較原始NEDC而言，增加了范圍更廣的路況信息：城市工況、郊區(qū)工況和高速工況,循環(huán)時間仍與WLTP一致，為1800s；但是，相對于WLTP，缺少了超高速段的工況定義，且最高車速、平均車速為三者最低。

圖2 NEDC/WLTP/CLTC循環(huán)工況曲線圖片來源：SysPro系統(tǒng)工程智庫WLTP駕駛循環(huán)分析

從上面的WLTP 典型的駕駛工況曲線來看，超過105km/h高速工況需求的時間占比大約只有10%左右，而大約3/4的時間內(nèi)車速需求是小于75km/h。以一輛重1500 千克的汽車為例，計算出的數(shù)值繪制成直方圖（圖5）。

圖5 WLTP 周期內(nèi)牽引逆變器輸出功率隨時間變化的情況圖片來源：英飛凌

該圖表顯示，電動車牽引逆變器的最大輸出功率需要約50 KW。這說明對于電動汽車的加速、達(dá)到峰值速度所需的實際功率是非常小的。在發(fā)電模式下（見圖5 中的紫色條），最大功率約為28 KW。

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04

性能與成本

——Si還是SiC，主驅(qū)逆變器如何選擇？

4.1 主驅(qū)逆變器的功率“浪費”現(xiàn)象

我們知道，牽引逆變器對電動汽車的整體性能和效率起著決定性作用。更仔細(xì)地審視逆變器的設(shè)計，成本效益和合理的額定功率以及合理的效率水平是面向更廣泛市場的電動汽車取得成功的關(guān)鍵因素。

在這個層面上，簡單地說，我們要評估的是整個驅(qū)動任務(wù)剖面的最低性能和所需的峰值性能。從這個視角來看，到底哪種半導(dǎo)體技術(shù)（Si 或SiC）更適合呢？

圖6 適合不同需求的電力傳動系統(tǒng)的配置圖片來源：英飛凌

在前面的例子中，80 KW的電機可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的WLTP 驅(qū)動循環(huán)，從而滿足大多數(shù)駕駛要求。如果使用碳化硅來提高汽車的額定功率，那么多余的功率在大多數(shù)情況下都會被"閑置"。但是在某些情況下，80 KW可能不足以實現(xiàn)"有趣動感"（運動型）的駕駛體驗。

圖片來源：SysPro

因此，可以添加一些SI來提高車輛的峰值性能。例如，SI部件能夠額外提供160kW的功率。這將使汽車具有非常動感的駕駛加速性能。在另一方面，這些數(shù)值可以縮減到40 kW SiC 和80 kW Si，從而實現(xiàn)120kW 的入門級電動汽車功率。

| SysPro備注：在追求低成本的今天，沒必要花很大的代價在主驅(qū)上一味的追求高功率，并且主驅(qū)是長時工作動力系統(tǒng)，大功率去配一個低路面負(fù)載，無法把系統(tǒng)效率的最佳能力發(fā)揮出來。與其如此，不如選擇一個小功率同步主驅(qū)+備用功率異步輔驅(qū)的構(gòu)型，根據(jù)不同場景下的負(fù)載需求，適時執(zhí)行2驅(qū)/4驅(qū)的切換。將對的東西用在對的場合。

圖片來源：SysPro

4.2 不同動力構(gòu)型下，Si還是SiC？

對于動力傳動系統(tǒng)，尤其是牽引逆變器，不同的技術(shù)方案具有不同的效率、性能和成本優(yōu)勢，如下1~5配置：

單電驅(qū)，高性能和長續(xù)航要求 -> 大功率SIC逆變器

單電驅(qū)，適當(dāng)調(diào)整車輛性能 ->小功率sic逆變器

單電驅(qū)，成本優(yōu)化的解決方案->IGBT逆變器

雙電驅(qū)，高性能和長續(xù)航要求->SIC逆變器作為主驅(qū)續(xù)航，IGBT 逆變器作為輔驅(qū)提供加速動力

• 新型電驅(qū)，成本優(yōu)化，高性能和長續(xù)航要求->單逆變器中融合SiC+IGBT，SiC維持高效率續(xù)航運行，SiC+IGBT 提供峰值搞性能

4.3 雙電驅(qū)系統(tǒng)，為什么選擇SIC+IGBT

下圖展示了雙電驅(qū)系統(tǒng)的設(shè)計初衷，結(jié)合SIC/SI IGBT的特征，我們直到：SiC在中小功率等級使用時具有更低的損耗、更高的效率，而IGBT在大功率輸出時相對更有優(yōu)勢。為了充分發(fā)揮SiC和IGBT 各自的優(yōu)點，雙電驅(qū)可以采用不同半導(dǎo)體器件進(jìn)行搭配。在這種配置（圖6中 配置2 + 配置3 的組合）中，使用了Si 和SiC 技術(shù)，但部署在不同的電驅(qū)上。

• 主驅(qū)使用SiC, 保持持續(xù)運行且覆蓋90%以上的WLTP驅(qū)動周期
• 輔驅(qū)采用IGBT，提供額外的扭矩，以提供4輪驅(qū)動能力和最大性能

圖片來源：SysPro|SysPro備注：在01中對比分析SIC和SI IGBT的特性，我們得到下面兩點結(jié)論。因此，站在整車視角，SIC更適用于小功率工況、IGBT更適用于大功率工況。

• SIC小電流下低導(dǎo)通損耗+全范圍較優(yōu)的開關(guān)損耗
• SI IGBT大電流下低導(dǎo)通損耗

圖7 不同工況下的Si(IGBT) vs SiC 功耗性能對比

圖片來源：英飛凌

05

Si和SiC，如何分配？

——將Si和 SiC融合在同一個牽引逆變器(知識星球發(fā)布)...圖片來源：SysPro

06

不同的驅(qū)動控制策略實現(xiàn)融合技術(shù)

在牽引逆變器中的應(yīng)用

(知識星球發(fā)布)...

根據(jù)上述原理，這些技術(shù)可以通過不同的組合方式實現(xiàn)不同的目標(biāo)。在只使用一種半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)牽引逆變器中，由于只使用了Si 或SiC，因此不需要特別的驅(qū)動策略。但融合技術(shù)牽引逆變器采用了Si和SIC并聯(lián)運行，因此也需要特殊的驅(qū)動控制策略。那么，如何考慮其驅(qū)動策略？

| SysPro備注：回答，如何考慮SIC/SI的驅(qū)動方式和路徑？...

圖片來源：SysPro

07

不同的實施模式有何不同？

(知識星球發(fā)布)

06中英飛凌分析了不同的融合技術(shù)牽引逆變器驅(qū)動策略的實現(xiàn)方法，使我們能夠識別和比較這些不同。下圖11 總結(jié)了每種實施方法的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)...

圖片來源：SysPro

08

英飛凌的解決方案

英飛凌目前正在擴大其產(chǎn)品組合，以充分發(fā)揮融合技術(shù)在逆變器應(yīng)用中的優(yōu)勢。從Si 和SiC 裸芯片到分立器件、功率模塊，再到支持兩種技術(shù)的混合模塊，英飛凌的產(chǎn)品范圍十分廣泛。

下圖是英飛凌第一款750V Si/SiC 混合功率模塊已經(jīng)面向市場推廣。英飛凌利用其最新Si和SiC芯片開關(guān)性能良好的匹配特性，第一款 混合功率模塊可以采用常規(guī)單通道驅(qū)動模式，不增加系統(tǒng)控制復(fù)雜性 同時電控系統(tǒng)的性能可以獲得提升。

如下圖所示，根據(jù)仿真175KW 400V BEV 電驅(qū)平臺采用英飛凌混合模塊對比采用純IGBT模塊，WLTP工況駕駛里程可以提高2.9% 。

圖片來源：SysPro