电动汽车牵引逆变器技术：从IGBT到SiC的设计与应用

目录：

● 牵引逆变器在电动汽车中的核心作用

● 主要设计考虑因素

● 技术架构和设计框架

● 关键电源组件和 EliteSiC 解决方案

● IGBT技术：电动汽车创新的永恒基石

关键词：牵引逆变器、电动汽车 (EV)、混合动力汽车 (HEV)、碳化硅 (SiC)、IGBT、PWM 信号、EliteSiC Solutions、B6S 功率模块、窄台面磁场停止器

1. 牵引逆变器在电动汽车中的核心作用

在纯电动汽车（EV）中，牵引逆变器是高压直流电池和交流牵引电机之间必不可少的接口。它将储存的直流能量转换为精确的高频交流波形，从而实现扭矩产生和加速度控制。

这种直流-交流转换使牵引逆变器成为每辆电动汽车动力系统的核心部件——直接负责驱动车辆并决定其整体性能和效率。

目前大多数电动汽车和混合动力电动汽车 (HEV) 仍然基于 IGBT 技术，而碳化硅 (SiC)器件的出现为提高效率、热管理和功率密度带来了新的可能性。

2.牵引逆变器的关键设计考虑因素

• 转换效率和续航里程
• 峰值功率和车辆性能
• 对碳化硅技术的需求日益增长
• 平衡可靠性和功率密度

2.1 转换效率和续航里程

效率是牵引逆变器中最关键的设计参数之一。在电池容量相同的情况下，更高的直流-交流转换效率可以直接转化为更长的行驶里程。
高效逆变器产生的热量也更少，从而减轻了车辆热管理系统的负荷，并实现了更紧凑、更轻便的设计。

2.2 峰值功率和性能输出

峰值功率决定了电动汽车的动态性能——特别是扭矩输出和加速能力。
效率决定了汽车的行驶里程，而峰值功率决定了汽车的行驶速度。这两个参数共同决定了电动汽车的整体驾驶体验和性能范围。

2.3 对碳化硅技术的需求不断增长

随着电动汽车向 800 V 电池架构过渡，牵引逆变器已成为汽车行业采用 SiC 器件的最大单一驱动因素。
与基于IGBT的系统相比，SiC MOSFET在高电压下具有更优异的性能，从而可以实现更高的效率、更低的开关损耗和更紧凑的逆变器设计。

2.4 可靠性与功率密度

虽然提高功率密度是一个关键的设计目标，但可靠性仍然同样重要，甚至更为重要。
工程师通常可以缓解性能瓶颈，但意外故障或停机可能会造成严重的运营后果。对于汽车应用而言，长期可靠性至关重要。

3.牵引逆变器架构和系统设计

• 两种主要的驱动架构
• 功率级：牵引逆变器的核心部件

3.1 驱动架构：直接驱动与差速驱动

电动汽车牵引架构根据电机与车轮的连接方式而有所不同：可以是直接驱动，也可以是差速驱动。

直驱架构：

通常用于低速、高扭矩应用

差速驱动架构：

涉及一些传输损耗

3.2 功率级：逆变器的核心

牵引逆变器的功率级不仅仅是一组 MOSFET——它集成了保护、控制和监控电路，以防止系统级故障。

功率舞台组成：

实时监测电压、电流和温度。

3.3 控制操作

实时反馈（电压、电流、转子位置）调整调制策略。

4. MOSFET——电源系统的核心

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• MOSFET 的作用
• SHYSEMI 旗下 EliteSiC 电源解决方案
• EliteSiC B2S 和 B6S 功率模块亮点

4.1 MOSFE 的作用

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在逆变器的功率级中，MOSFET 在塑造输出电流以驱动牵引电机方面起着至关重要的作用。
通过三相桥式拓扑结构，它们将直流电池电压转换为高效电机运行所需的精确交流波形。

4.2 SHYSEMI 的 EliteSiC 电源解决方案

害羞的EMI 提供三种基于EliteSiC 技术的高性能功率级配置：

4.3 EliteSiC B2S 和 B6S 功率模块亮点

5. IGBT技术：电动汽车动力系统的永恒基石

物品

SHYSEMI 不断增强其 IGBT 产品组合，推出窄台面场截止 IGBT 结构等创新技术，显著降低轻载条件下的功率损耗，从而提高汽车应用中的整体系统效率。

评估工具包和开发支持

港口

针对电动汽车/混合动力汽车牵引逆变器的开发，SHYSEMI 提供了基于 VE-Trac IGBT 功率模块的两款硬件评估套件，支持高达 150 kW 的运行。
这些套件使客户能够在设计周期的早期评估模块性能，内置双脉冲测试和三相逆变器电机控制支持。

智能功率模块适用

离子

SHYSEMI 的 1200 V / 50 A智能功率模块 (IPM)为混合动力和电动汽车提供完全集成的高性能逆变器输出级。
该模块集成了三相IGBT逆变器、优化的栅极驱动器和全面的保护功能——是HVAC 压缩机、高压泵和其他汽车辅助系统的理想选择。

结论：IGBT——电动汽车电气化的基石

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绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 仍然是电动汽车电力电子的基石，它兼具成本效益、强大的性能和长期可靠性。
其在高电流负载下久经考验的稳定性，确保了在各种功率需求波动（从快速加速到再生制动）下都能可靠运行。

虽然SiC MOS FET因其优异的开关和热特性而在下一代架构中越来越受欢迎，但 IGBT 在平衡性能、成本和可扩展性方面继续发挥着至关重要的作用——确保为未来高效电动汽车搭建稳定的桥梁。