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电动汽车需要800V系统,800V系统需要碳化硅(SiC)器件

EV Charging

800V电动汽车(EV)已经问世,而且会越来越多。800V系统始于保时捷Taycan和奥迪e-Tron GT等豪华电动汽车,后来成为现代Ioniq5和起亚EV6的主流车型。通用汽车和Rivian宣布未来的电动汽车将采用800V系统。[1]预计其他车企也会跟进。

800V系统的使用意义重大,因为它是当今400V传动系统的两倍。两倍的电压可以将充电时间减半。现代Ioniq5和起亚EV6可以支持200kW的功率,并在18分钟内将电量从10%充电到80%。保时捷Taycan可以在22.5分钟内从5%充电到80%。在400V电压下能处理100kW的充电电缆和连接器在800V电压下能提供200kW功率。尽管800V系统本身并不会显著增加行驶里程,但它可以通过缩短充电时间来减缓里程焦虑。

两倍的电压还能在给定的功率水平下将电流减半,从而减小电缆的规格和重量,从而造出更轻的电动汽车。更低的电流意味着产生的热量更少,电动汽车更为环保。更高的电压和更小的绕组,可使设计出的牵引电机具有更高的功率密度和更高的效率。[2]

800V电动汽车需要SiC功率变换器

相较于硅功率MOSFET和IGBT,碳化硅(SiC)具有更高的性能。硅的禁带约为1.12电子伏(eV),而SiC的禁带为3.26eV,因此SiC器件在高温下具有更低的漏电流。

相较于硅(0.3MV/cm),SiC具有更高的击穿临界电场电压(2.8MV/cm),从而可大幅降低导通电阻。更高的击穿电场使得SiC器件比硅器件更薄,从而降低开关损耗,提高电流载荷能力并加快开关速度。因此,SiC MOSFET可以像硅MOSFET一样支持高频开关,但电流和电压额定值与IGBT接近,非常适用于电动汽车中的功率变换器。

与基于慢速开关IGBT的设计相比,使用SiC带来的高频开关有助于减小功率变换器。

相较于硅,热导率是SiC的另一个亮点。对于给定的功率耗散,SiC较高的热导率会产生较小的结温(Tj)增加。SiC MOSFET还可以处理比硅器件更高的结温。SiC器件可承受高达600?C的最高结温(Tj(max)),但出于封装考虑,商用器件的结温限制在175至200?C之间。另一方面,硅器件的Tj(max)为150?C,这会增加散热需求并增大方案尺寸。

800V电动汽车需要基于SiC的辅助DC-DC变换器

即使牵引电源母线采用800V电压,电动汽车中的辅助电源母线预计仍将保持在24VDC或48VDC。电动汽车需要高度集成、重量轻且高效的技术来实现800V至24V或48V的DC-DC变换器。

辅助电源设计人员可以使用符合AEC Q100标准的InnoSwitch3-AQ系列高压功率IC。这些IC集成了1700V SiC MOSFET和加强绝缘功能。它们最多可减少50%的元件数量,从而实现高度紧凑和轻量化的解决方案。

这些电源IC可在整个负载范围内提供高达90%的效率。它们的空载功耗低于15mW,可减少电动汽车电池管理系统中的自放电,并且晶圆厂、组装厂和测试厂均拥有通过IATF16949认证的汽车质量管理系统。

参考文献

[1] https://www.greencars.com/post/new-800-volt-fast-charging-systems

[2] http://drivemode-h2020.eu/shifting-to-800-volt-systems-why-boosting-motor-power-could-be-the-key-to-better-electric-cars/

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