9199-00002 A6120 硅IGBTs在汽车中的重要作用

　　汽车行业拥抱可持续发展，电池电动汽车(BEV)因其高效率和零尾气排放而走在前列。2023年，电动汽车和插电式混合动力汽车(PHEV)的全球销量达到1360万辆，比2022年增长31%。预测显示，这一数字在未来几年将会加快。

　　尽管有这样的增长，挑战依然存在。过高的成本、较长的充电时间和有限的行驶里程继续阻碍着广泛采用。为了解决这些问题，制造商正在引入800 V BEV系统。这种更高的电压架构支持更快的充电，显著降低充电时间成本。

　　硅没有死

　　自从电动汽车大量采用的早期，碳化硅(SiC)和其他宽带隙(WBG)技术已经被认为是BEV子系统的有前途的候选技术。与硅相比，WBG材料具有更高的带隙和显著更高的击穿电压，能够实现更高的电流密度、更高的开关频率和更低的总损耗。这些优势有助于系统设计人员提高效率、缩小体积和减轻重量，尤其是在允许高开关频率的应用中。因此，正如众多研究表明的那样，SiC已成为牵引逆变器的主导技术，但也有一些例外。

　　硅制造工艺的成熟、可用选项的丰富、更低的成本、更简单的栅极驱动方法以及器件的稳健性仍然使硅功率MOSFETs和IGBTs成为WBG技术的可行替代方案。由熟练的设计人员选择合适的器件。同时，作为供应商，我们有责任提供全面的选择，以满足不同的需求和偏好。

　　在要求低开关频率或低开关频率已足够的应用中，传导损耗和热设计的简单性都是至关重要的因素。WBG器件固有的高功率密度会给热管理带来挑战。同时，硅IGBTs和MOSFETs的较大芯片面积有助于在这些情况下实现更简单的散热管理。

　　电动汽车包含复杂的电路和多个子系统，不需要半导体技术的高开关能力。

　　应用程序

　　图1显示了电动汽车中的通用电池分配装置(BDU)。

　　图一。蓄电池配电单元。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　热管理子系统、预充电电路和放电电路中的PTC加热器不一定需要更高的开关频率。相反，这些要求低传导损耗、高浪涌电流能力和高可靠性的坚固半导体。

　　热量管理

　　不像内燃机汽车其固有地以热的形式产生大量浪费的能量，电动汽车效率更高。这种效率的结果是它们不能产生足够的废热来加热车厢。

　　在电动汽车中，有两个与热管理相关的重要要求:

　　电动汽车电池调节

　　寒冷环境条件下的客舱加热

　　在寒冷的环境温度下，PTC加热器和热泵用于调节电池以获得最佳性能，产生的热量也用于客舱加热。PTC加热器的典型电路配置如图2所示。

　　图二。PTC加热器电路。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在这种应用中，IGBTs的开关频率从几十赫兹到几百赫兹不等。半导体的低导通压降、耐用性(短路能力)和良好的热性能是这种应用的关键因素。

　　放电电路

　　800 V BEV系统中DC环节电容器放电要求

　　高压电池电动车辆的关键安全协议要求DC链路电容器在两种不同的运行情况下放电:

　　正常运行关闭

　　紧急情况，如碰撞后或关键故障检测

　　这些放电机制是基本的安全特征，旨在减轻对车辆乘员和维修人员的电击风险，同时防止潜在的火灾危险。该应用通常具有基于制造商风险评估协议的汽车安全完整性B级(ASIL-B)分类。

　　在800V BEV架构中，标称电池电压属于电压等级B (60 V 1500 V)。每个ISO 6469-4 4安全法规系统必须确保在紧急情况下快速降低电压。具体来说，在碰撞后车辆停止后的5秒钟内，总线电压必须降低并保持在60 V dc以下。

　　典型的放电电路如图3所示。

　　图3。DC链接电容放电电路。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　DC链路电容器可以通过IGBT放电。需要时，IGBT打开，电容中的所有能量可以通过一个电阻释放阴间与IGBT串联的电阻器。具有高浪涌电流能力的坚固IGBTs对于这种应用非常重要。

　　预充电电路

　　预充电电路通常用于电动车辆，包括电池管理系统和车载充电器，以及电源和配电单元等工业应用。在电动车辆中，控制器不仅处理高电容电气部件，还通过控制电机的功率流来确保电机平稳高效地运行。预充电电路中的高压正负接触器可安全地连接和断开电容器的电源，防止启动过程中出现过大的浪涌电流。它们确保受控充电，并在必要时通过隔离元件来维护系统安全。如果没有预充电电路，闭合期间接触器内可能会发生焊接，导致短暂的电弧放电和潜在的损坏。

　　预充电电路拓扑之一如图4所示。

　　图4。预充电电路。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　在上面的电路中，有两个大电流、高电压接触器S1和S2，一个单独的预充电开关T1和一个DC链接电容器C1，它们与牵引逆变器等负载并联。最初，两个大电流接触器，S1和S2，都是打开的，在两端将高压电池与负载隔离。预充电通过闭合开关T1 (1300 V A5A IGBT)以及高压负接触器S1开始，允许DC链路电容器充电到与电池电压相等的电压。预充电过程后，开关T1打开，高压正极接触器S2闭合。因为DC链接电容器在闭合高压正和负接触器之前被充电，所以没有显著的涌入电流。1300V A5A IGBT具有高浪涌电流能力，这使它们适合这种应用。

　　图5显示了Littelfuse的BDU演示板，其中集成了一个1300 V A5A IGBT。

　　图5。利特福斯BDU展示板。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　1300 V A5A沟槽IGBTs

　　为了满足800V bev不断发展的需求，Littelfuse推出了一系列1300 V沟道分立IGBTs，如图6所示。这些器件专为强调降低传导损耗的应用而设计(Pcond)，良好的热性能和耐用性。该系列中的A级IGBTs具有优化的低集电极-发射极饱和电压(V行政长官(星期六))，这增强了它们在低频开关中的性能。这些IGBTs具有长达10秒的短路鲁棒性。这一特性尤其有利于关键的BEV系统，如PTC加热器，这对于客舱加热和电池调节至关重要。此外，这些IGBTs可应用于预充电和放电电路。

　　图6。1300 V A5A产品系列。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　该系列包括单个IGBTs，集电极电流分别为15 A、30 A、55 A和85 A，外壳温度为110°c，封装选项包括SMD TO-263HV、TO-268HV和通孔TO-247。与传统的三引脚TO-263和TO-268封装相比，高压SMD封装具有更高的爬电距离和电气间隙。

　　特点和优势

　　击穿电压BV更高消费电子展:1300 V击穿电压专为800 V BEV架构定制，适用于乘用车和重型卡车。这个1300 V的额定值为DC链路电压提供了缓冲，该电压根据电池的充电状态而波动，特别是在1200 V的额定值可能带来挑战的情况下。

　　更宽范围的电流IC:110°C时，集电极电流范围为15 A至85 A，可满足乘用车和重型车辆各种应用的要求。

　　最小化传导能量损失Econd:这个系列的特点之一是最低的V行政长官(星期六)值可用于1300V IGBT，有效地将传导损耗降至最低。这一特性不仅提高了效率，还缓解了热设计挑战。

　　短路能力tSC:1300V IGBT设计用于处理长达10微秒的短路条件，适合要求稳定性能和增强可靠性的汽车应用。

　　包装:表面贴装分立封装包括TO-263HV、TO-268HV和通孔TO-247。与标准3引脚封装相比，这些SMD封装的高压(HV)版本改善了爬电距离和电气间隙。

　　外卖食品

　　随着汽车行业转向更高电压的电动汽车架构，硅IGBTs对于要求更低开关频率和最小传导损耗的应用仍然至关重要。Littelfuse的1300 V A级Trench IGBT系列满足800 V BEV子系统的特定需求，特别是在PTC加热器、放电电路和预充电应用中。这些IGBTs具有低V行政长官(星期六)短路能力和宽电流范围。SMD和通孔封装均具有增强的爬电距离和电气间隙，为设计提供了灵活性。