提高電動汽車采用率的高能效主驅逆變器方案解析

全球環保節能法規在推動汽車廠商設計尺寸和重量更小、具有最高電源能效的電動動力總成系統。設計電動動力總成的挑戰之一是電池提供直流電，而主驅電機需要交流電。主驅逆變器是電動動力總成的關鍵部分，負責將高壓電池（350-800 VDC）的直流電壓轉換為三相交流正弦電流的交流電壓，進而旋轉電感應電機并驅動車輛前進。該模塊的性能影響到車輛的整體能效，包括加速和駕駛里程。安森美半導體提供高能效、穩定可靠且具成本競爭優勢的主驅逆變器方案及先進的封裝技術，包括分立方案、隔離門極驅動器和創新的VE-Trac系列模塊及寬禁帶（WBG）方案，以助力增加電動汽車的行駛里程，從而提高電動汽車的采用率。

主驅逆變器方案拓撲

如圖1所示，該拓撲包括4個主要功能塊：三相逆變級、隔離電源、信號處理和調節、通信總線。

圖1：主驅逆變器方案拓撲

3相逆變級

3相逆變級的主要器件是逆變器里的每一相里的半橋開關里的高邊和低邊開關以及相應的高隔離電壓門極驅動器，開通和關斷那些開關產生3相交流正弦波形使感應電機運行。采用微處理器配置的變頻驅動控制算法管理每個逆變器相的高邊和低邊開關控制。

主驅逆變器通常采用400 V（HVL1）或800 V（HVL2）的高壓電池系統，后者在最新設計中日益流行。這些系統要求功率半導體器件的最高工作電壓在600 V至750 V范圍內，或900 V至1200 V范圍內，分別對應HVL1或HVL2。要求功率逆變器在每相400 A至1000 A范圍內的電流水平下處理大量功率。為此，一些制造商把分立的封裝器件并聯，而多數使用功率集成模塊(PIM)。安森美半導體提供分立的IGBT、碳化硅（SiC）MOSFET和創新的VE-Trac系列PIM，以及IGBT和快速恢復二極管的裸芯片，構建主驅逆變器相。所有這些方案都可以與高壓門極驅動器接口。

安森美半導體的高壓門極驅動器技術除了提供用于隔離高壓系統與低壓系統的電氣隔離（galvanic isolation）之外，還有一個關鍵特性是去飽和（DESAT）檢測特性，可防止IGBT短路條件下的“擊穿”效應。此外，還具有米勒鉗位功能，防止其中一個開關意外導通。且為了增強保護，還具有故障指示功能，以通知系統故障且使能輸入。

安森美半導體的經AECQ-101認證的分立IGBT器件，具有出色的熱性能和電性能。由于IGBT具有極低的VCE（sat）和門極電荷，因此可將導通和開關損耗降至最低，從而實現高能效運行。安森美半導體的IGBT與快速反向恢復二極管共同封裝，并采用具有競爭優勢的場截止溝槽技術進行構建，該技術采用了精細的單元間距設計以創建高功率密度器件，并具有穩定的抗動態閂鎖條件的特性。根據電機的功率要求，可以在逆變器每個半橋上的相應的高邊和低邊開關上并聯多個IGBT。

安森美半導體的VE-Trac系列PIM，提供同類最佳的電氣和熱性能，支持兩個主驅逆變器設計平臺：VE-Trac?Dual和VE-Trac?Direct。

VE-Trac Dual結合雙面散熱 （DSC）半橋模塊，在緊湊的占位內堆疊和擴展，提供一個小占位的平臺方案適用于從80 kW到300 kW應用。該平臺的首個器件是NVG800A75L4DSC，該模塊的額定電壓750 V，額定電流800 A，是現有競爭器件容量的兩倍。高效的雙面散熱確保領先市場的熱性能，該模塊中沒有任何綁定線，使其額定壽命加倍。NVG800A75L4DSC是符合AQG-324認證的模塊，含嵌入式智能IGBT，對集成了過流和過溫保護功能，提供更快的保護響應時間，因而提供更強固的整體方案。安森美半導體將在未來數月推出 VE-Trac Dual平臺內具有更高電壓和各種電流水平選項的其它器件，以應對各種新興應用。

圖2：VE-Trac Dual PIM

VE-Trac Direct平臺提供同類最佳的性能和優勢，包括采用直接冷卻實現出色的熱性能。該平臺的首個器件是符合AQG-324認證的NVH820S75L4SPB。該器件采用six-pack架構封裝，已獲汽車整車廠商（OEM）和系統供應商廣泛認可并采用。這將支持多源供應，最小化布局更改。 由于可提供多種功率等級，VE-Trac Direct平臺將為不同的汽車平臺和應用提供簡單、快速的功率調整。

VE-Trac Dual和VE-Trac Direct平臺都能夠在最高175oC的結溫下連續工作，能在模塊化方案的緊湊封裝內提供更高的功率。

對于800V電池電動汽車系統，可以將采用D2PAK-7L和TO-247封裝的1200V、20mΩ、80mΩ SiC MOSFET插入3個逆變器每個半橋上的高邊和低邊開關中。 SiC MOSFET提供優于硅的開關性能和更高的可靠性，具有低導通電阻和緊湊的芯片尺寸，確保低電容和門極電荷。這些特性帶來了系統優勢，包括高能效、快速工作頻率、更高的功率密度、更低的電磁干擾（EMI）以及減小占位的便利性。

安森美半導體提供專為主驅逆變器應用而優化的二極管和IGBT裸片，能在175°C的溫度下連續運行，具有較低的VCE（sat）和正向電壓（VF），具有增強的可靠性和魯棒性。

信號處理和調節

模擬測量和信號調節模塊的主要功能是處理來自逆變器的電流和溫度檢測信號以及來自感應電機的電流和電機位置檢測信號。使用諧振和反激控制器構造的隔離電源可以為微控制器、信號調節和模擬測量電路提供電源。安森美半導體提供符合AECQ的邏輯組件、比較器、運算放大器和電流檢測放大器，以構建信號處理電路，與微控制器模數轉換器單元接口，從而構成閉環系統。

通信總線

安森美半導體提供基于CAN、CAN-FD、LIN、Flexray和系統基礎芯片（SBC）的收發器，可確保以超過1 Mbps的數據速率進行可靠定的車載通信，以滿足現代車載網絡的要求。此外，安森美半導體還提供AECQ-101認證的通信總線保護器件，結溫最大值為175°C，以保護車輛通信線路免受靜電放電（ESD）和其他有害瞬態電壓事件的影響。這些器件為每條數據線路提供雙向保護，為系統設計人員提高系統可靠性并滿足嚴格的EMI要求提供了具成本優勢的選擇。

評估套件

為便于設計人員在開發主驅逆變器的早期階段分別評估VE-Trac Dual模塊和VE-Trac Direct電源模塊的性能，安森美半導體提供VE-Trac Dual評估套件NVG800A75L4DSC-EVK和VE-Trac Direct評估套件NVH820S75L4SPB-EVK，可用作雙脈沖測試用以測量關鍵的開關參數，或用作電機控制的3相逆變器，功率達150 kW。

VE-Trac Dual評估套件含三個VE-Trac Dual電源模塊，貼裝在雙側冷卻散熱器上，配有6通道門極驅動板、直流母線電容器和用于電機控制的外置霍爾效應電流檢測反饋，不含脈寬調制（PWM）控制器。其特性如下：

集成800A，750V第4代場截止（FS4）IGBT/二極管芯片組

汽車級隔離型大電流、高能效IGBT門極驅動器內置電氣隔離NCV57000/1

電源模塊中的片上電流檢測功能實現更快更簡單的過流保護（OCP）

在電源模塊中集成了片上溫度感測功能，從而實現了更快，更接近真正的Tvj過溫保護（OTP）

定制設計的雙面散熱器提供低壓降，及出色的熱性能

定制的薄膜直流母線電容器，額定值達500 VDC，500 uF

圖3：VE-Trac Dual評估套件

VE-Trac Direct評估套件含一個VE-Trac Direct電源模塊，貼裝在冷卻套中，配有6通道門極驅動器板、直流母線電容器，不含PWM控制器或外部電流檢測器。其特性如下：

集成820 A, 750V FS4 IGBT/二極管芯片組和直接冷卻特性

汽車級隔離型大電流、高能效IGBT門極驅動器內置電氣隔離NCV57000/1

薄膜直流母線電容器，額定值達500VDC，500 uF

圖4： VE-Trac Direct評估套件

總結

設計電動動力總成的挑戰之一是電池提供直流電，而主驅電機需要交流電。因此，主驅逆變器是動力總成的關鍵部分。元器件選擇不當或設計不當會導致逆變器能效低或尺寸大（或兩者兼而有之），這將不利于車輛行駛更遠的里程，必須仔細評估導通損耗和開關損耗，以實現車輛的目標傳動系統性能。安森美半導體提供高能效、強固且具成本競爭優勢的主驅逆變器方案及先進的封裝技術，包括分立功率器件、隔離門極驅動器和擴展的模塊方案，以及寬禁帶方案，并持續創新，以解決設計挑戰，為迅速增長的主驅逆變器市場提供可擴展性和汽車可靠性，推動電動動力總成的快速發展和采用。
編輯：hfy