牵引逆变器应用与解决方案分析

动力逆变器的两个主要设计考虑因素是转换效率和峰值功率。更高的从直流到交流的转换效率意味着在同样的电池情况下续航里程更长。更高的效率也意味着系统可以在管理较少的热量情况下提供更多的功率。动力逆变器的峰值功率决定了车辆的整体性能，尤其是其瞬时扭矩和加速能力。效率（续航里程）和峰值功率（性能）最终定义了车辆的应用和使用场景。   动力逆变器在所有电动汽车应用中对SiC的需求最大，并且随着应用转向800V电池组，这种需求预计会进一步增加。与基于IGBT的系统相比，SiC技术的优势将变得更加显著。   在功率应用中，功率密度很重要，但可靠性同样关键，在某些应用中可能更为重要。虽然工程师通常可以解决性能限制问题，但他们基本不会接受可能导致计划外停机或维修的实际故障，因为这些可能对业务产生重大且意外的影响。

牵引逆变器的相关技术和设计架构

BEV完全依赖储存在高压电池组中的能量，并需要最有效的牵引逆变器和电机工程。在市场上几乎没有完全相同的架构，这导致了不同的牵引逆变器需求。主要差异在于电机如何连接到车轮——直接连接或通过差速器连接。   直接驱动可以实现更高的效率、更少的维护和更简单的实施，但通常由于低速需求而需要更大的体积。差速驱动的实施由于更高的RPM操作和差速器的固定齿比能够提高功率密度，但机械齿轮需要维护并存在传输损耗。   通过提高牵引逆变器的效率和可靠性，可以增强整车的总体效率。然而，逆变器不仅仅是一个包含6个MOSFET的模块；它还包括保护和监控辅助电路以防止系统级故障。逆变器内的快速和可靠开关，以及监控信号以减少故障发生的可能性，对栅极驱动器的选择有额外的影响。此外，BEV和HEV还包含各种相邻的电力电子系统，负责电力调节、电池管理以及推动车辆运行。   牵引逆变器最关键的模块是其功率级，其中包括基于IGBT和基于SiC MOSFET的集成功率模块等高功率开关。功率级由电源管理IC、微控制器（MCU）或两者结合进行控制。通过在运行过程中感测功率级温度、电压和电流来监控和保护开关。   开关控制通过MCU实现，MCU生成初始PWM信号。隔离栅极驱动器放大生成的PWM信号并提供足够的电荷以打开和关闭高功率开关。MCU必须根据接收到的反馈信号（如电压、电流和电机位置）来控制和修改逆变器调制。

MOSFET是牵引逆变器功率级中最关键的组件

牵引逆变器功率级中的MOSFET是最关键的组件，因为它们控制流向电机的电流以产生运动。逆变器的三个桥臂将DC电池电压转换为三相AC电压和电流，从而驱动电机。功率级通过在运行过程中感测温度、电压和电流进行监控和保护。   onsemi提供了三种使用EliteSiC™器件构建高性能功率级的方法。第一种方法是使用一个带针脚适配散热器的6管封装模块（SSDC39），这是集成度最高的解决方案。第二种方法使用三个半桥模块（AHPM15），在保持性能的同时提供更高的设计灵活性。第三种方法使用6个M3e MOSFET裸片，无封装格式，以创建定制的模块设计。   用于牵引逆变器的6管EliteSiC功率模块 - SSDC39 提供了更高的性能、更好的效率和在行业标准封装方案中的更高功率密度。NVXR17S90M2SPB模块将900V 1.7mΩ SiC MOSFET集成到6管配置的SSDC39封装中。为了便于装配和提高可靠性，新一代的压入式针脚被集成到功率模块的信号端子中。为了实现直接冷却，该凝胶填充封装在基板中集成了优化的针翅散热片，设计符合AQG324汽车标准。   用于牵引逆变器的半桥EliteSiC功率模块 - AHPM15 配备NVVR26A120M1WSS功率模块，该模块在半桥配置中集成了1200V 1.7mΩ SiC MOSFET。该模块具有低杂散电感（7.1 nH）和低RDS(ON)，使其成为混合动力和电池电动车逆变器应用的理想选择。AHPM15模块系列有两种功率端子变型，包括直型或90°功率端子。为了提高可靠性和热性能，芯片附着采用烧结技术，模块设计符合AQG324标准。   基于新的EliteSiC™ 1200V M3e MOSFET技术的NCS025M3E120NF06X是onsemi高性能的第三代1200V SiC MOSFET，其采用无封装裸片格式。5x5毫米裸片可以应用于任何定制模块设计中。基于onsemi最新一代SiC MOSFET技术的M3e产品系列，在其类别中提供了最低的导通电阻（典型值），在VGS = 18V, ID = 135A, TJ = 25℃时为11.0 mΩ，使其成为汽车牵引逆变器的理想选择。   此外，onsemi基于新一代1200V SiC M3e技术推出了用于电动车牵引的EliteSiC B2S和B6S功率模块。B2S模块是一种可烧结的半桥模块，而B6S则是带集成散热器的较大6管模块。B2S模块推动了高性能和牵引逆变器效率的边界，提供了从160到400 kW的设计可扩展性。与M1系列相比，M3e MOSFET的晶胞间距减少了60%以上。SiC平面MOSFET已累积了数万亿小时的现场经验，具有低故障率，并通过100%缺陷筛查、加速电气测试和栅氧化层应力验证来应对SiC的弱点。SiC裸片和散热器通过烧结技术附着。

IGBT技术仍然是电动汽车技术的基石

绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 仍然是电动汽车 (EV) 技术的基石，推动了效率、可靠性和可持续性的提升。作为电动汽车电源管理系统的骨干，IGBT 能够以卓越的稳定性处理大电流负载，确保长期且一致的性能。这种可靠性对于电动车至关重要，因为电力需求在快速加速和再生制动之间显著波动。   IGBT 仍然是一种具有成本效益的选择，多年来一直是电动车动力系统的首选。然而，SiC MOSFET 因其在效率和热性能方面的优势而正在获得吸引力，这使其成为下一代电动车的一种越来越有吸引力的选择。   onsemi 持续改进和扩展其 IGBT 产品组合，引入了新的 IGBT 技术，例如窄沟槽场截止 (FS4 和 FS7)，在轻负载时显示出更低的功率损耗，并为汽车应用提供整体更高的系统效率。   onsemi 的 IGBT 六单元功率模块 = NVH660S75L4SPFB - 集成了六个 FS4 750V 窄沟槽 IGBT，采用六单元配置。该模块在提供高电流密度的同时，具备强大的短路保护能力和更高的阻断电压。它使用了具有低杂散电感的 SSDC33 封装，带有直接冷却和平底散热器。   另一个 IGBT 半桥功率模块 - NVG600A75L4DSC2 - 集成了两个 FS4 750V IGBT，采用半桥配置。该模块集成了芯片级温度和电流传感器，并且双面冷却封装 AHPM15 提升了热性能。   此外，onsemi 提供了用于电动车/混合动力车 (EV/HEV) 牵引逆变器应用（功率可达 150 kW）的两种评估硬件套件（参考设计），基于 VE-Trac IGBT 功率模块系列。这些评估套件 (EVK) 允许客户在逆变器开发的早期阶段评估 VE-Trac Direct 功率模块的性能。有两种基于六单元和半桥功率模块的 EVK 变体。这些套件可以用作双脉冲测试器来测量关键的开关参数，也可以用作三相逆变器进行电机控制。

完整规格的EliteSiC和IGBT功率模块及评估板

IGBT 和 SiC 模块的开关特性受到许多外部参数的影响，例如电压、电流、温度、栅极配置和寄生参数。直流母线环路电感和栅极环路电感会影响 IGBT 和 SiC 功率模块的开关特性。双脉冲测试设置用于测量两个模块的开关特性，包括 900V EliteSiC 1.7 mΩ 级 NVXR17S90M2SPB 和 750V VE−Trac IGBT NVH950S75L4SPB，二者均采用超低寄生电感（8 nH）的 SSDC33 封装。onsemi 的牵引逆变器分立式解决方案是 EliteSiC™ MOSFET，支持 650V~1200V，持续突破 RDS(ON)、QG、RSP 等界限。   onsemi 还提供了一种分立式双脉冲测试器 (DPT) 评估板 - EVBUM2897 -，专为 SiC、Si MOSFET 和 IGBT 分立封装的对比测量设计。测试器的主要用途是测试开关性能并对不同器件类型或封装进行比较。   onsemi 还提供了一种带加热平台和双脉冲发生器扩展板的解决方案 - EVBUM2901 -，它为分立 DPT 板提供高温测试条件和可变的 10 脉冲 PWM 生成。EVBUM2901 与 DPT 板一起使用时，支持使用子卡对各类 onsemi 分立封装（SiC、Si）进行高温测试，适用于 1200V 击穿电压。   onsemi 的 NFVA25012NP2T 是面向高压辅助电机的 1200V、50A 智能功率模块 (IPM)，为混合动力和电动车辆提供完整功能和高性能的逆变器输出级。该模块集成了一个 1200V、50A 的三相 IGBT 逆变器，并优化了栅极驱动、控制和保护功能。推荐用于辅助应用，如 HVAC 电动压缩机、高压油泵与水泵、高压增压器，以及各种风扇。   onsemi 的高电流单通道栅极驱动器 NCV57001 和 NCV57100 设计用于在牵引逆变器等高功率应用中实现高系统效率和可靠性。在 Miller 平台上，NCV57100 可提供高达 ±7A 的电流，NCV57001 可提供 +4/-6A 的电流。这些驱动器具有内部的电气隔离，并包括互补输入、开漏故障和就绪输出、主动 Miller 钳位、精确的 UVLO、DESAT 保护和 DESAT 软关断功能。   此外，还有一款配备 NCV51752 (NCV51152) 驱动器的评估板，其内部集成了负偏置控制，消除了系统为驱动器提供外部负偏置轨的需求。评估板具有多种 PCB 布局变体，用于测试所有 onsemi 支持的分立式 SiC MOSFET 封装。

结论

牵引逆变器是电动汽车 (EVs) 和混合动力电动汽车 (HEVs) 动力系统的核心组件，负责将高压直流电转化为交流电以驱动电机。其性能直接影响车辆的效率、动力输出以及续航里程。面向未来，汽车制造商和供应链制造商需要不断优化牵引逆变器的设计，以确保更高的功率密度、更低的损耗以及卓越的热管理性能，同时还需考虑轻量化和可靠性，以满足下一代电动汽车的需求。onsemi 提供全规格的牵引逆变器解决方案，将进一步提升电动汽车的性能，促进智能交通和可持续能源的发展，帮助全球汽车产业迈向零碳未来。