电动汽车终将成为人们首选的交通方式。从外观上看，电动汽车和现在马路上遍布的汽车毫无区别。有区别的是内部电机和能量的交换方式，其中涉及许多权衡取舍。本博文探讨了电动汽车在保持效率、整体性能和行驶里程时的设计考虑因素。
这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。
电动汽车发展的势头已经达到了一个拐点，我们很难想象未来道路上没有多少辆电动汽车的情景。这不仅大大改变了我们的购买偏好和驾驶习惯，还改变了我们对汽车的看法。
我们来想象一下 Henry Ford 之前的世界。那时加油的地方非常少，所以早期的车主通常会把油罐绑在汽车的外面。里程焦虑也是家常便饭。然而，很少有人会考虑给内燃机汽车加油需要多长时间。毕竟，这总比给马喂食喂水来得快。事实上，这可能是拥有汽车的一个主要吸引力；因为我们并不需要考虑太多。机械部件取代了马夫，实际的拥有成本最终会变得显而易见，但车轮已经转动起来了。
此时，转动车轮不仅仅是一个比喻，这也是汽车的意义所在。电动汽车意味着车轮是通过电机驱动而不是由活塞式发动机驱动，但目标却是一样的。然而能量交换方式却存在明显的不同。在内燃机中，化学能（燃油）会转化为动能（运动），动能随后会转化为所有能量的熵态，即热量，以实现车辆的移动。
对于电动汽车，这个过程中还有另一个阶段，即捕获未使用的动能。此过程被称为再生制动，但它真正的意思是，利用车辆的动力来转动电机，而不是让电机赋予车辆动力。这样电机就变成了发电机，而产生的电力又会反馈到电池。如此便能增加电动汽车的行驶里程，具体的增幅在很大程度上取决于再生阶段的效率。
经过优化的电机/发电机在电机和发动机模式下都非常高效。逆变是另一个关键阶段。逆变器电路负责将电池输出的高电压转换为交流电 (AC)，以便驱动电机。AC 波形的幅度和频率决定了转速。通常，牵引电机为三相电机，所以逆变器需要将直流电池电压转变为三个 AC 循环。比如将 800 V DC 转换为大约 180 kW AC，因此，这一阶段的效率对于汽车制造商提供的整体性能和行驶里程至关重要。
不出所料，这就是设计工作的重点所在。尽可能提高逆变器的效率需要使用损耗最低的组件。到目前为止，IGBT 在传导损耗方面占据优势，只是其关断开关损耗更为显著。因为典型的电机驱动开关频率相对较低，所以这是一个不错的折衷选择，并且 IGBT 的成本也较低。而碳化硅 (SiC) FET凭借其更低的开关损耗和传导损耗，已在该应用领域稳步取代了IGBT。究其原因主要有两方面。首先，如前所述，由于会收集双极电流的电荷，所以 IGBT 的关断速度比较慢。另一方面，由于只有电子流动，所以 SiC FET 的导通和关断开关速度较快，因此其开关损耗也比较低。更重要的是，IGBT 的电流路径中通常会存在一个 PN 结，这可能来自于 IGBT 本身或其反并联二极管，分别形成于正向或反向导通期间。由于 SiC 材料的电阻更低，且消除了 PN 结压降，所以 SiC FET 不仅在所有电流电平下都具有更低的传导损耗，而且在电动汽车最常运行的低功率下也具有明显优势。SiC FET 无需反并联二极管，因此不存在正向或反向电流的 “拐点” 电压（在开关死区时间之后）。
工作模式与功率系数 (PF) 相关。如果 PF 为正，则电路处于逆变模式，需要从电池获取能量来驱动电机。如果 PF 为负，则电路处于整流模式，此时会将能量反馈至电池。理想情况下，PF 应尽可能接近 +1 或 -1，以实现效率最大化。
改变 PF 会凸显出所用 FET 的损耗。损耗的关键指标是正向和反向传导损耗，以及导通和关断开关损耗。这四项相加便得到了各个 FET 的总损耗。在逆变模式或整流模式下，大多数传导损耗分别产生于正向或反向电流。请注意，正向电流是指从漏极流至源极（对于 IGBT 来说，是从集电极流至发射极）的电流。用于电机驱动的 IGBT 只进行正向传导，所以需要一个反并联二极管来传导反向电流。因此根据电流方向的不同，传导损耗以及 IGBT 与二极管的发热状况也会有所差异。另一方面，SiC FET 在相同的传导损耗（在死区时间后）下，通过相同的芯片传导正向和反向电流，所以芯片利用率更高，功率密度也更高。
碳化硅(SiC) FET
本文转载自Qorvo半导体微信公众号
