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导语：随着新能源车行业快速发展，技术创新显著，其中如何设计高效牵引逆变器以延长车辆续航里程成为研发重点。那么，如何在功率、效率和材料利用率之间找到最佳平衡点，以设计出高效的牵引逆变器，从而增加新能源汽车的续航里程？此外，当前新能源汽车牵引逆变器主要采用硅基(Si)或碳化硅基(SiC)功率半导体器件，如Si IGBT和SiC MOSFET。那么，这些器件各有何性能特点，如何适应不同的应用需求？为何单一性质的IGBT器件或SiC器件在逆变器应用中难以同时满足高效和成本的要求？
导通特性 开关特性
3.1 标准驾驶循环工况：WLTP 3.2 WLTP驾驶循环分析 3.3 性能与成本：Si还是SiC，主驱逆变器如何选择？
4.1 主驱逆变器的功率“浪费”现象 4.2 不同动力构型下，Si还是SiC？ 4.3 双电驱系统，为什么选择SIC+IGBT
第一曲：SiC/Si器件特性与应用需求
01
SiC Mosfet 和Si IGBT 的性能对比
在探讨新能源车的牵引逆变器功率器件首选是SiC还是Si 器件之前，我们先简单对比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性。
在电流较小时，SiC mosfet 具有更小的导通损耗 当电流较大（超过曲线交点）时，IGBT 的导通损耗则更小
图 1 IGBT 和SIC MOSFET导通特性
1.2 开关特性
从开关特性看，IGBT属于双极性器件，在关断时由于少子的复合肯定会造成拖尾电流，使其开关损耗特性较差。而SiC MOSFET具有更快的开关速度，且没有拖尾电流, 所以其开关损耗对比IGBT具明显优势。
图 2 IGBT 和SIC MOSFET开关特性
图片来源：英飞凌
综上，SiC MOSFET器件并不是在所有负载条件下，都具有压倒性的性能优势。这也就很容易理解在选择SiC Mosfet 还是Si IGBT 时需要考虑一个盈亏平衡点。
了解了SiC Mosfet 和Si IGBT 的应用特点，针对不同的动力构型，我们应该如何选择呢？想要回答这个问题，我们先要了解：目前的动力构型有哪些？以及，在标准驾驶循环中究竟需要什么样的功率特征？
02
新能源车动力配置布局
新能源电动汽车的性能分配有多种选择，主流方案就是在主驱动轴和辐驱动轴之间进行分配。如下图3所示，主驱动轴始终处于啮合状态，满足低功率常规续航驾驶模式；辅驱动轴可提供额外扭矩，实现四轮驱动能力和最佳加速性能。当前市场上可以看到的配置基本分为：
1) 主驱动轴和辅驱动轴均采用了SiC功率器件;
2)主驱动轴采用高性能SiC功率器件，而辅驱动轴则采用更具性价比的IGBT功率器件。
这也是当今电动汽车的典型配置，这些方案均是建立在逆变器中使用单一的功率器件，较难做到效率和成本之间的平衡。在评估上述方案的优劣之前，我们需要先从电动汽车的驾驶工况来分析。真实的驾驶工况对牵引逆变器的需求是什么？
图片来源：英飞凌
03
标准驾驶工况WLTP 与峰值性能需求
3.1 标准驾驶循环工况：WLTP
全球轻型汽车测试程序（WLTP）的驾驶周期反映了接近真实的驾驶任务。通过标准化，它为电动车制造商和消费者提供了比较不同车辆效率的参考值。对于电动汽车来说，它以一定距离的能量消耗来表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加仑汽油当量英里数(MPGe)"来表示，这一指标也可以与传统内燃机汽车进行比较。
| SysPro备注：
按工信部要求，中国于2020年开始正式执行适合中国工况的标准CLTC驾驶循环。如下图所示，CLTC较原始NEDC而言，增加了范围更广的路况信息：城市工况、郊区工况和高速工况,循环时间仍与WLTP一致，为1800s；但是，相对于WLTP，缺少了超高速段的工况定义，且最高车速、平均车速为三者最低。
3.2 WLTP驾驶循环分析
从上面的WLTP 典型的驾驶工况曲线来看，超过105km/h高速工况需求的时间占比大约只有10%左右，而大约3/4的时间内车速需求是小于75km/h。以一辆重1500 千克的汽车为例，计算出的数值绘制成直方图（图5）。该图表显示，电动车牵引逆变器的最大输出功率需要约50 KW。这说明对于电动汽车的加速、达到峰值速度所需的实际功率是非常小的。在发电模式下（见图5 中的紫色条），最大功率约为28 KW。
第二曲：混合SiC技术在动力拓扑中的应用原则
04
——Si还是SiC，主驱逆变器如何选择？
05
Si和SiC融合技术在整车拓扑中的应用
| SysPro备注：主要回答融合技术下的牵引逆变器，在整车拓扑中，如何分配SiC和Si的比例，可以最有效地利用了不同半导体功率器件的不同优势，从而可以为高效、经济的电动汽车做出了的贡献？
第三曲：混合SiC逆变器的驱动方式分析
06
融合技术在逆变器中的应用，及4种不同驱动方式
| SysPro备注：主要回答，如何制定SIC/SI的驱动方式、策略和路径？
07
不同的驱动策略的利弊分析
| SysPro备注：06中英飞凌分析了不同的融合技术牵引逆变器驱动策略的实现方法，那么，每种实施方法的优势和挑战是什么？
08
英飞凌的解决方案
以上是对于英飞凌关于混合SiC-Si功率模块主题报告学习，共三部曲，本文第一曲。在保证原内容主旨内容基础上，对原文内容进行了裁剪和注释、对结构进行了梳理、补充了解释说明。感谢英飞凌Devin Xu先生的分享，受益匪浅。
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2024年12月31日
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