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2021年12月31日 | 碳化硅在电动汽车中的三个应用点
2021-12-31 来源：EEWORLD
随着电动汽车 (EV) 市场的加速发展，许多汽车制造商和汽车供应商现在都采用 800V母线驱动系统来提高效率、实现更快的充电时间并扩大此类车辆的续航里程，同时减轻重量和成本。碳化硅MOSFET等宽带隙(WBG)器件正在帮助汽车制造商推进最先进的功率器件，用于电动汽车动力系统和其他关注高效、高电压的应用领域。
碳化硅功率器件已应用于电动汽车内部的关键电力系统，包括牵引逆变器、车载充电器 (OBC) 和 DC-DC 转换器。与传统硅器件相比，其主要优势包括更高电压和更高频率的特点，从而实现更高的系统效率、更快的开关、更低的损耗和更好的热管理。
相对于硅基器件，碳化硅器件具有以下优势：
平均续航里程超过 600 公里
平均重量减轻150至200公斤
使充电站的充电效率翻倍
电池寿命更长
碳化硅 MOSFET 还具有更高额定电压，使该技术适合电动汽车应用和电动汽车快速充电基础设施。更重要的是，SiC可在不进行重大更改的情况下直接更换，从而实现快速开发，同时将BOM保持在较低水平。
此外，碳化硅 MOSFET 受益于速度非常快的本征二极管，该二极管可使电动汽车具有双向输电特性，即通过电网将汽车中的电力传输到电网中进行储能及削峰填谷。
第三代碳化硅平台
意法半导体最近刚刚宣布完成了第三代 SiC 技术平台的认证，并预计到 2021 年底将大部分产品推向商业化。ST汽车和分立器件集团功率晶体管部门总经理兼集团副总裁 Edoardo Merli 预计，2024年ST的SiC收入将达到十亿美元。
新型 ST 器件的额定电压范围为 650 V 和 750 V，最高可达 1200 V。它们将为设计人员提供更多选择，以解决从普通交流输入到高压 EV 电池和充电（包括 800V）。
SCT040H65G3AG 是一款汽车级碳化硅功率 MOSFET，采用 H2PAK-7 封装，提供 650 V、40 mΩ（典型值）、30A。（来源：意法半导体）
首批产品是650-V的SCT040H65G3AG和750-V SCT160N75G3D8AG。第三代产品将提供包括 STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L 和 HU3PAK 在内的封装形式。这些封装提供了设计功能，例如专门放置的冷却片，可简化与 EV 应用中的基板和散热器的连接。
据 ST 称，其最新的 MOSFET具有优秀的品质因数 (FOM) ——导通电阻 (RDS(on)) × 芯片尺寸和 RDS(on) × 栅极电荷 (Qg) 。该参数表示晶体管效率、功率密度和开关性能。使用普通硅技术改善 FOM 变得越来越困难，因此，SiC 技术是进一步改进的关键。
SiC在电动汽车中的应用包括：
主变频电力牵引
电动汽车依靠牵引逆变器将电池中的高压直流能量转化为交流牵引电机驱动力。考虑到高功率开关和可能涉及的高 dv/dt 瞬变，牵引逆变器在驱动车辆方面起着至关重要的作用，需要非常坚固和可靠。
牵引逆变器作为关键部件，由于它们的重量和尺寸，对车辆的道路性能、行驶里程和可靠性都有直接影响。同时受制于道路车辆中可能因热量和振动而产生的所有压力，这些转换器必须能够处理高功率和电流以及相关的电磁兼容性 (EMC) 挑战，并提供故障安全操作以确保驾驶员和乘客的可靠性和安全性。
EV/HEV用DC-DC转换器
在各种配置电动汽车中，dc-dc转换器将高压转换为48V，将高压转换为12V，将48V转换为12V。dc-dc转换器的关键设计要求是低损耗、高效率、小体积和轻量化.
电动汽车使用两种不同的电源系统：用于牵引的高压电池（200 至 450 V dc）和用于为车辆中的所有电器供电的低压电池。传统上，低压电池由交流发电机充电，但在今天的车辆中，将从高压电池组获取电力。
然而，在特定的电动汽车架构中，这种低压电池应该准备好为高压电池组反向充电，为汽车的发动提供能量。这意味着板载 DC-DC 转换器必须是双向的、非常高效且高度可靠的，从而运行确保高能效解决方案所需的复杂控制算法。
车载充电器
OBC提供家里的交流电源或从私人或公共充电桩为电池充电功能。从3.6 kW 单相到 22 kW 三相大功率转换器，当今的 OBC 必须具有尽可能高的效率和可靠性，以确保快速充电并满足有限的空间和重量要求。
此外，SiC高频特点允许在电源系统中使用更小的无源元件，从而允许车辆中的电气设备更紧凑、更轻便。
在这方面，ST 开发了 SCT040H65G3AG，这是一款采用 H2PAK-7 封装的汽车级 SiC 功率 MOSFET，具有 650 V、40 mΩ（典型值）、30A。该器件在整个温度范围内具有低 RDS(on)（典型值 40 mΩ，最大 55 mΩ），结合低电容和高开关频率，可在频率、能效、系统尺寸、和减重方面具有明显优势。
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