隨著汽車行業不斷追求可持續發展，電池電動汽車(BEV)憑借其高效率和零尾氣排放，逐漸成為行業的焦點。2023年，全球電池電動汽車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)的銷量達到1360萬輛，較2022年增長了31%。預計未來幾年，這一數字將繼續迅速增長。

盡管增長迅猛，但電動車的普及仍面臨一些挑戰，例如高昂的成本、較長的充電時間以及有限的續航里程。為應對這些問題，制造商引入了800V的電動車系統。更高的電壓架構能夠實現更快的充電速度，顯著降低充電時間和成本。

硅的時代尚未終結

自電動汽車大規模普及的早期階段以來，碳化硅(SiC)和其他寬禁帶(WBG)技術就被認為是電池電動汽車子系統的理想選擇。與傳統硅材料相比，寬禁帶材料具有更高的禁帶寬度和擊穿電壓，可實現更高的電流密度、更高的開關頻率以及更低的總損耗。這些優勢使得系統設計師能夠在高開關頻率應用中實現更高的效率、更小的體積和更輕的重量。因此，眾多研究表明，SiC已成為牽引逆變器領域的主流技術(部分情況下除外)。

然而，硅制造工藝的成熟性、現有選項的豐富性、更低的成本、更簡單的柵極驅動方法以及器件的穩定性，仍然使硅功率MOSFET和IGBT成為寬禁帶技術的可行替代方案。選擇合適的器件需要設計師具備高水平的專業能力，而作為供應商，我們也有責任提供全面的產品選擇，以滿足各種需求和偏好。

在低開關頻率要求的應用中，導通損耗和熱設計的簡便性是關鍵因素。寬禁帶器件固有的高功率密度可能會帶來熱管理方面的挑戰，而硅IGBT和MOSFET較大的芯片面積在這些場景中可以更容易實現熱管理。

電動汽車的復雜電路包含多個子系統，其中一些并不需要半導體技術具備高開關能力。

應用案例

下圖1展示了一種通用的電池分配單元(BDU)應用于電動汽車中的示例。

在熱管理子系統中，PTC加熱器、預充電回路以及放電回路并不一定需要更高的開關頻率。相反，它們需要低導通損耗、高浪涌電流能力以及堅固耐用的半導體器件，以確保高可靠性。

熱管理

與內燃機(ICE)汽車通過廢熱加熱乘客艙不同，電動汽車由于其高效的能量利用特性，無法產生足夠的廢熱。因此，電動汽車的熱管理面臨以下兩個重要需求：

· 電池的溫度調節

· 在寒冷環境下為乘客艙加熱

在寒冷的環境中，PTC加熱器和熱泵被用來為電池調節溫度以達到最佳性能，并同時為乘客艙供暖。圖2展示了PTC加熱器的典型電路配置。

在這種應用中，IGBT的開關頻率通常在幾十赫茲到幾百赫茲之間。器件的低通態電壓降、短路能力以及良好的熱性能是關鍵因素。

放電回路

800V BEV系統中的直流母線電容放電需求

高壓電池電動車的重要安全協議要求在以下兩種操作場景下對直流母線電容進行放電：

· 正常操作中的關機

· 緊急情況(如碰撞后或檢測到嚴重故障)

這些放電機制是基本的安全功能，旨在降低車輛乘客和維護人員遭受電擊的風險，并防止潛在的火災隱患。基于制造商的風險評估，這類應用通常被歸類為汽車安全完整性等級B(ASIL-B)。

在800V BEV架構中，標稱電池電壓屬于電壓等級B(60V至1500V)。根據ISO 6469-4安全法規規定，系統必須在緊急情況下快速降低電壓。具體來說，在碰撞后車輛停止的5秒內，母線電壓必須降低并保持在60V DC以下。圖3展示了典型的放電回路。

在必要情況下，直流母線電容可通過IGBT放電。通過開啟IGBT，電容中的所有能量都可以通過與IGBT串聯的Rdis電阻進行放電。此類應用需要具備高浪涌電流能力的堅固IGBT。

預充電回路

預充電回路常用于電動汽車(如電池管理系統和車載充電器)，也被廣泛應用于工業領域(如電源和配電單元)。在電動汽車中，控制器不僅負責處理高電容的電氣元件，還通過控制電機的功率流動，確保電機的平穩高效運行。通過預充電回路中的高壓正極和負極接觸器，可以安全地連接或斷開電源與電容，從而防止啟動時出現過大的浪涌電流。這種預充電機制可控制充電過程并確保系統安全，同時在必要時實現元件隔離。如果沒有預充電回路，接觸器閉合時可能發生焊接現象，導致瞬間電弧和潛在的損壞。

圖4展示了一種預充電回路的拓撲結構。

在該電路中，包含兩個高電流、高電壓接觸器S1和S2，一個獨立的預充電開關T1，以及一個與負載(如牽引逆變器)并聯的直流母線電容C1。最初，兩個高電流接觸器S1和S2均處于打開狀態，隔離了高壓電池與負載之間的連接。預充電通過閉合開關T1(1300V A5A IGBT)和高壓負極接觸器S1開始，使直流母線電容充電至與電池電壓相等的水平。在預充電過程完成后，開關T1斷開，高壓正極接觸器S2閉合。由于在閉合高壓正極和負極接觸器前，直流母線電容已經被充電，因此不會產生顯著的浪涌電流。1300V A5A IGBT具備高浪涌電流能力，因此非常適合這種應用。

圖5展示了Littelfuse公司采用1300V A5A IGBT的BDU演示板。

總結

隨著汽車行業轉向電動汽車的更高電壓架構，硅 IGBT 對于需要較低開關頻率和最小傳導損耗的應用仍然至關重要。

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