SiC+Si混合驱动技术全解析：器件特征对比、拓扑分析、WLTP能耗分析、Si/SiC选择原则、SiC-Si融合技术、英飞凌方案

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今天我们一起学习下这篇来自英飞凌的技术文章，看下英飞凌是如何在混合式功率半导体创新技术方面为高效牵引逆变器在效率、成本和可持续性之间寻找更好的平衡点？

1.SiC mosfet 和Si IGBT 的性能对比

• 导通特性

• 开关特性

2. 新能源车动力配置布局

3. 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

• 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. 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

5. Si和SiC融合技术在整车拓扑中的应用

6. 融合技术在逆变器中的应用，及4种不同驱动方式

7. 不同的驱动策略的利弊分析

8. 英飞凌的解决方案

01

SiC mosfet 和Si IGBT 的性能对比

1.1 导通特性

• 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副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，副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。

04

——Si还是SiC，主驱逆变器如何选择？

我们知道，牵引逆变器对电动汽车的整体性能和效率起着决定性作用。更仔细地审视逆变器的设计，成本效益和合理的额定功率以及合理的效率水平是面向更广泛市场的电动汽车取得成功的关键因素。在这个层面上，简单地说，我们要评估的是整个驱动任务剖面的最低性能和所需的峰值性能。从这个视角来看，到底哪种半导体技术（Si 或SiC）更适合呢？

在前面的例子中，80 KW的电机可以执行标准的WLTP 驱动循环，从而满足大多数驾驶要求。如果使用碳化硅来提高汽车的额定功率，那么多余的功率在大多数情况下都会被"闲置"。但是在某些情况下，80 KW可能不足以实现"有趣动感"（运动型）的驾驶体验。因此，可以添加一些SI来提高车辆的峰值性能。例如，SI部件能够额外提供160 kW的功率。这将使汽车具有非常动感的驾驶加速性能。在另一方面，这些数值可以缩减到40 kW SiC 和80 kW Si，从而实现120kW 的入门级电动汽车功率。

| SysPro备注：英飞凌提的这一点确实如此，在追求低成本的今天，没必要花很大的代价在主驱上一味的追求高功率，并且主驱是长时工作动力系统，大功率去配一个低路面负载，无法把系统效率的最佳能力发挥出来。与其如此，不如选择一个小功率同步主驱+备用功率异步辅驱的构型，根据不同场景下的负载需求，适时执行2驱/4驱的切换。将对的东西用在对的场合。

4.2 不同动力构型下，Si还是SiC？

对于动力传动系统，尤其是牵引逆变器，不同的技术方案具有不同的效率、性能和成本优势，如下1~5配置：

• 单电驱，高性能和长续航要求 -> 大功率SIC逆变器

• 单电驱，适当调整车辆性能    -> 小功率sic逆变器

• 单电驱，成本优化的解决方案 -> IGBT逆变器

• 双电驱，高性能和长续航要求 -> SIC逆变器作为主驱续航，IGBT 逆变器作为辅驱提供加速动力

• 新型电驱，成本优化，高性能和长续航要求 -> 单逆变器中融合SiC+IGBT，SiC维持高效率续航运行，SiC+IGBT 提供峰值性能

下图展示了双电驱系统的设计初衷，结合SIC/SI IGBT的特征，我们知道：SiC在中小功率等级使用时具有更低的损耗、更高的效率，而IGBT在大功率输出时相对更有优势。为了充分发挥SiC和IGBT 各自的优点，双电驱可以采用不同半导体器件进行搭配。在这种配置（图6中 配置2 + 配置3 的组合）中，使用了Si 和SiC 技术，但部署在不同的电驱上。

• 主驱使用SiC, 保持持续运行且覆盖90%以上的WLTP驱动周期。
• 辅驱采用IGBT，提供额外的扭矩，以提供4轮驱动能力和最大性能。

• SIC小电流下低导通损耗+全范围较优的开关损耗
• SI IGBT大电流下低导通损耗

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

| SysPro备注：介绍英飞凌第一款750V  Si/SiC 混合功率模块。

以上是对于英飞凌发表关于<SiC-Si混合功率模块全解析>主题的学习，在保证原文主旨内容基础上，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。

知识星球上传了一些关于混合SIC/SI功率器件的研究和技术报告，具体内容摘要如下图，比较有参考价值，可以与本文结合起来学习、了解。感谢你的阅读！

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