01
SiC mosfet 和Si IGBT 的性能對比
在探討新能源車的牽引逆變器功率器件首選是SiC還是Si 器件之前，我們先簡單對比SIC MOSFET 和 IGBT 基本特性。
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在電流較小時，SiC mosfet 具有更小的導通損耗 -
當電流較大（超過曲線交點）時，IGBT 的導通損耗則更小
圖 1 IGBT 和SIC MOSFET導通特性
圖片來源：英飛凌
從開關特性看，IGBT屬于雙極性器件，在關斷時由于少子的復合肯定會造成拖尾電流，使其開關損耗特性較差。而SiC MOSFET具有更快的開關速度，且沒有拖尾電流, 所以其開關損耗對比IGBT具明顯優勢。
圖 2 ?IGBT 和SIC MOSFET開關特性
圖片來源：英飛凌
綜上，SiC MOSFET器件并不是在所有負載條件下，都具有壓倒性的性能優勢。這也就很容易理解在選擇SiC mosfet 還是Si IGBT 時需要考慮一個盈虧平衡點。
了解了SiC mosfet 和Si IGBT 的應用特點，針對不同的動力構型，我們應該如何選擇呢？想要回答這個問題，我們先要了解：目前的動力構型有哪些？以及，在標準駕駛循環中究竟需要什么樣的功率特征？
02
新能源車動力配置布局
新能源電動汽車的性能分配有多種選擇，主流方案就是在主驅動軸和副驅動軸之間進行分配。如下圖3所示，主驅動軸始終處于嚙合狀態，滿足低功率常規續航駕駛模式，副驅動軸可提供額外扭矩，實現四輪驅動能力和最佳加速性能。當前市場上可以看到的配置基本分為：
1) 主驅動軸和輔驅動軸均采用了SiC功率器件;
2)主驅動軸采用高性能SiC功率器件，而輔驅動軸則采用更具性價比的IGBT功率器件。
這也是當今電動汽車的典型配置，這些方案均是建立在逆變器中使用單一的功率器件，較難做到效率和成本之間的平衡。在評估上述方案的優劣之前，我們需要先從電動汽車的駕駛工況來分析。真實的駕駛工況對牽引逆變器的需求是什么？
03
標準駕駛工況WLTP 與峰值性能需求
標準駕駛循環工況：WLTP
全球輕型汽車測試程序（WLTP）的駕駛周期反映了接近真實的駕駛任務。通過標準化，它為電動車制造商和消費者提供了比較不同車輛效率的參考值。對于電動汽車來說，它以一定距離的能量消耗來表示，比如100 公里消耗10 千瓦，或者以"每加侖汽油當量英里數"（MPGe）來表示，這一指標也可以與傳統內燃機汽車進行比較。
| SysPro備注：
按工信部要求，中國于2020年開始正式執行適合中國工況的標準CLTC駕駛循環。如下圖所示，CLTC較原始NEDC而言，增加了范圍更廣的路況信息：城市工況、郊區工況和高速工況,循環時間仍與WLTP一致，為1800s；但是，相對于WLTP，缺少了超高速段的工況定義，且最高車速、平均車速為三者最低。
從上面的WLTP 典型的駕駛工況曲線來看，超過105km/h高速工況需求的時間占比大約只有10%左右，而大約3/4的時間內車速需求是小于75km/h。以一輛重1500 千克的汽車為例，計算出的數值繪制成直方圖（圖5）。該圖表顯示，電動車牽引逆變器的最大輸出功率需要約50 KW。這說明對于電動汽車的加速、達到峰值速度所需的實際功率是非常小的。在發電模式下（見圖5 中的紫色條），最大功率約為28 KW。
04
——Si還是SiC，主驅逆變器如何選擇？
我們知道，牽引逆變器對電動汽車的整體性能和效率起著決定性作用。更仔細地審視逆變器的設計，成本效益和合理的額定功率以及合理的效率水平是面向更廣泛市場的電動汽車取得成功的關鍵因素。在這個層面上，簡單地說，我們要評估的是整個驅動任務剖面的最低性能和所需的峰值性能。從這個視角來看，到底哪種半導體技術（Si 或SiC）更適合呢？
在前面的例子中，80 KW的電機可以執行標準的WLTP 驅動循環，從而滿足大多數駕駛要求。如果使用碳化硅來提高汽車的額定功率，那么多余的功率在大多數情況下都會被"閑置"。但是在某些情況下，80 KW可能不足以實現"有趣動感"（運動型）的駕駛體驗。因此，可以添加一些SI來提高車輛的峰值性能。例如，SI部件能夠額外提供160?kW的功率。這將使汽車具有非常動感的駕駛加速性能。在另一方面，這些數值可以縮減到40 kW SiC 和80 kW Si，從而實現120kW 的入門級電動汽車功率。
| SysPro備注：英飛凌提的這一點確實如此，在追求低成本的今天，沒必要花很大的代價在主驅上一味的追求高功率，并且主驅是長時工作動力系統，大功率去配一個低路面負載，無法把系統效率的最佳能力發揮出來。與其如此，不如選擇一個小功率同步主驅+備用功率異步輔驅的構型，根據不同場景下的負載需求，適時執行2驅/4驅的切換。將對的東西用在對的場合。
4.2 不同動力構型下，Si還是SiC？
對于動力傳動系統，尤其是牽引逆變器，不同的技術方案具有不同的效率、性能和成本優勢，如下1~5配置：
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單電驅，高性能和長續航要求?-> 大功率SIC逆變器
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單電驅，適當調整車輛性能? ??->?小功率sic逆變器
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單電驅，成本優化的解決方案?->?IGBT逆變器
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雙電驅，高性能和長續航要求?->?SIC逆變器作為主驅續航，IGBT 逆變器作為輔驅提供加速動力
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新型電驅，成本優化，高性能和長續航要求?->?單逆變器中融合SiC+IGBT，SiC維持高效率續航運行，SiC+IGBT 提供峰值搞性能
下圖展示了雙電驅系統的設計初衷，結合SIC/SI IGBT的特征，我們直到：SiC在中小功率等級使用時具有更低的損耗、更高的效率，而IGBT在大功率輸出時相對更有優勢。為了充分發揮SiC和IGBT 各自的優點，雙電驅可以采用不同半導體器件進行搭配。在這種配置（圖6中 配置2 + 配置3 的組合）中，使用了Si 和SiC 技術，但部署在不同的電驅上。
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主驅使用SiC, 保持持續運行且覆蓋90%以上的WLTP驅動周期。 -
輔驅采用IGBT，提供額外的扭矩，以提供4輪驅動能力和最大性能。
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SIC小電流下低導通損耗+全范圍較優的開關損耗 -
SI IGBT大電流下低導通損耗
圖片來源：英飛凌
05
Si和SiC融合技術？
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配置1和2在后軸或前軸上使用了全部的碳化硅 -
配置3和4則使用了融合技術牽引逆變器。
圖片來源：英飛凌
下面我們聚焦融合技術，關注下SIC/SI融合技術在牽引逆變器中的能量流情況，如下圖9所示。在標準負載下，后軸上的SiC 用于加速，而前后軸上的SiC（66% 至33% 的份額）用于平穩減速。這種負載情況與大多數駕駛條件和WLTP 測試條件相當，加速和減速完全由SiC 和所需的電驅控制。當功率需求達到更高峰值水平時，加速時需要使用額外的Si。由于Si在高負載時具有更高的效率，因此此處僅使用Si進行能量回收。
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加速時候：在<80kw，只是主驅SIC介入 -
加速時候：在>80kw，需要后備力量，輔驅SI+主驅SIC -
減速時候：在<80kw，一部分SIC介入就夠了 -
減速時候：在>80kw（很少出現這種情況），只是輔驅SI介
總而言之：融合技術牽引逆變器最有效地利用了不同半導體功率器件的不同優勢，從而可以為高效、經濟的電動汽車做出了的貢獻。
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在牽引逆變器中的應用
根據上述原理，這些技術可以通過不同的組合方式實現不同的目標。在只使用一種半導體技術的標準牽引逆變器中，由于只使用了Si 或SiC，因此不需要特別的驅動策略。但融合技術牽引逆變器采用了Si和SIC并聯運行，因此也需要特殊的驅動控制策略。那么，如何考慮其驅動策略？
| SysPro備注：回答，如何考慮SIC/SI的驅動方式和路徑？
圖10 ?融合技術的不同驅動控制策略
圖片來源：英飛凌
方式1：獨立運行（"Ex"）
方式2/3：并行控制（"S"）
方式4：單獨控制（"In"）
單獨控制模式需要兩個柵極（In2G），因此設置更為復雜，但另一方面，它充分利用了融合技術牽引逆變器的優勢。它還提供了兩種技術之間的冗余（故障切換）。
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不同的實施模式有何不同？
06中英飛凌分析了不同的融合技術牽引逆變器驅動策略的實現方法，使我們能夠識別和比較這些不同。下圖11 總結了每種實施方法的優勢和挑戰。
如圖所示，每種控制策略在某些用例中都具有優勢和缺點。合適的產品和工程能力往往決定了實施的可行性。基于這些邊界條件，不同的細分市場將可以采用不同的融合技術牽引逆變器控制策略。
單獨控制模式（In2G）是一個不錯的驅動策略，因為它具有充分的靈活性，為高度復雜的軟件策略打開了大門，可優化不同半導體開關技術的電氣效率、BOM、成本和使用壽命等變量。這種模式甚至可以支持"故障運行"功能。因此，融合技術牽引逆變器的優勢不僅限于最初明顯的成本和材料可用性優勢，還能為未來的新能源汽車提供新的技術方向。Si和SiC融合技術將是一種非常有效的解決方案，可以瞄準需要在效率、成本和可用性之間取得良好平衡的細分市場。
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英飛凌目前正在擴大其產品組合，以充分發揮融合技術在逆變器應用中的優勢。從Si 和SiC 裸芯片到分立器件、功率模塊，再到支持兩種技術的混合模塊，英飛凌的產品范圍十分廣泛。
英飛凌第一款750V ?Si/SiC 混合功率模塊已經面向市場推廣。英飛凌利用其最新Si和SiC芯片開關性能良好的匹配特性，第一款 混合功率模塊可以采用常規單通道驅動模式，不增加系統控制復雜性 同時電控系統的性能可以獲得提升。如下圖所示，根據仿真175KW 400V BEV 電驅平臺采用英飛凌混合模塊對比采用純IGBT模塊，WLTP工況駕駛里程可以提高2.9% 。
圖12 ?英飛凌混合模塊
來源：SysPro系統工程智庫
原文始發于微信公眾號（武漢新瑞科）：混合式SiC MOSFET+Si IGBT，如何在逆變器效率、成本、可持續性中找到最優解？
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