“拯救我們的地球，讓地球遠(yuǎn)離污染！”這是世界各地的科學(xué)家和有識(shí)之士對(duì)降低溫室氣體排放的一致呼聲。由石化燃料引擎驅(qū)動(dòng)的汽車是罪魁禍?zhǔn)?，雖然推動(dòng)汽車行進(jìn)的替代技術(shù)有很多種，但目前唯一可行的方案是——電力(Electricity)。

　　電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中整合一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)組件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。電動(dòng)汽車系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)能裝置如鋰離子電池組成，這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化來(lái)最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車在單次充電便能達(dá)到最長(zhǎng)的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)臍怏w排放量帶來(lái)重要的推進(jìn)力。

　　電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)

　　電動(dòng)汽車靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車也一樣，只是它還利用一個(gè)石化燃料點(diǎn)火的引擎作為輔助。給這些汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來(lái)，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機(jī)制，最大化地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時(shí)不增加碳排放，理想情況下更是能顯著降低碳排放。

　　電動(dòng)汽車的碳化硅(SiC)功率

　　電動(dòng)汽車的重量、體積和成本，以及單次充電的行駛距離與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率直接相關(guān)。SiC電源組件非常適合在汽車常見(jiàn)的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細(xì)看看SiC電源組件如何提高系統(tǒng)效率。

　　更輕的重量意味著里程數(shù)的延長(zhǎng)。降低電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率。我們都知道，在較高頻率點(diǎn)工作時(shí)，電感、電容和變壓器等主動(dòng)組件的尺寸和重量可以縮小，既然如此，快采用SiC解決方案吧。

　　雖然硅(Si)電源組件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢(shì)是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙(wide band gap，WBG)的半導(dǎo)體組件，而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(chǎng)(臨界電場(chǎng)是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙SiC組件的高壓能力允許它們具有更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度和單極性工作狀態(tài)，部分原理是其載頻需要被加速至更高的速度(更高的動(dòng)能)來(lái)克服更寬的能隙。

　　雖然砷化鎵(GaA)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場(chǎng)，也是針對(duì)大功率解決方案的改進(jìn)型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢(shì)。諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度(Debye temperature)，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)帶來(lái)的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量導(dǎo)致更強(qiáng)的輻射硬化(radiation hardening)。

　　SiC組件在電動(dòng)汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用?，F(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能以驅(qū)動(dòng)車輪，這個(gè)效率是相當(dāng)高的，但SiC也能協(xié)助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用(圖1)。

　　圖1 SiC電源組件在電動(dòng)汽車中有許多用途

　　將750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動(dòng)汽車使用的SiC電源供應(yīng)，是用SiC功率組件提高電動(dòng)汽車效率的很好例子。這種架構(gòu)將效率從88%提高到了驚人的96%，將尺寸和重量減少了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風(fēng)扇來(lái)冷卻多余的熱量。表1顯示電動(dòng)汽車SiC功率組件的一些重要應(yīng)用。

　　表1 電動(dòng)汽車電子架構(gòu)中的一些SiC應(yīng)用。(PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)(表格來(lái)源：2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies)

　　電動(dòng)汽車的GaN功率

　　GaN對(duì)于電動(dòng)汽車的電源改進(jìn)也功不可沒(méi)。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和直流/直流控制中廣泛使用的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)一直是基于Si的產(chǎn)品。這些設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)時(shí)間通常在10k~100kHz數(shù)量級(jí)，而GaN組件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以達(dá)到奈秒(ns)級(jí)，并且能夠輕松地在200℃的汽車環(huán)境下工作。

　　就像SiC一樣，GaN組件由于具有更高的開(kāi)關(guān)速度，因此也能縮小電源架構(gòu)中電感、電容和變壓器的尺寸，還能因被動(dòng)組件尺寸的縮小而減少總體積和重量。

　　我們將根據(jù)電動(dòng)汽車電池的化學(xué)成分分析它們的功效，比如基于鋰的化學(xué)成分以及具有高能量密度的鎳氫電池(NiMH)。如前面SiC組件部分所述，為了使一次充電能夠行駛更長(zhǎng)的距離，同樣需要提高電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的效率。

　　Si組件的開(kāi)關(guān)速度和最小導(dǎo)通電阻已經(jīng)達(dá)到最大極限，GaN似乎是超越這些極限的一種可行的方案。實(shí)驗(yàn)表明，如果開(kāi)關(guān)頻率可以提高5倍，電感和電容的體積就可以縮小至五分之一。今天的GaN技術(shù)可以支持很高的速度。

　　GaN功率組件在4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域表現(xiàn)相當(dāng)卓越：高溫工作、更高的擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻及適合更高工作頻率的奈米級(jí)開(kāi)關(guān)速度。這些優(yōu)勢(shì)和GaN與SiC類似，而它們的區(qū)別有兩點(diǎn)：LED和射頻晶體管一直使用GaN；許多Si工藝兼容GaN工藝，與SiC較高的基底成本相比，降低了晶圓成本及工藝成本。

　　由于早在2003年就解決了可靠性問(wèn)題，因此今天的技術(shù)成功讓第一個(gè)GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)組件進(jìn)行投產(chǎn)。這些都是常態(tài)導(dǎo)通(normally-on)組件，因此0V的柵極電壓將形成導(dǎo)通狀態(tài)，小于0V的任何電壓都將關(guān)斷組件。早期使用的是SiC基板(substrate)，一旦Si基板能與GaN完美結(jié)合，生產(chǎn)成本就能顯著降低。在2014年，一個(gè)新的級(jí)聯(lián)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)將常態(tài)導(dǎo)通組件變?yōu)槌?normally-off)組件。

　　自此以后，驅(qū)動(dòng)技術(shù)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，整合度越來(lái)越高，電源逆變器也有顯著進(jìn)步。GaN組件在電動(dòng)汽車的電池充電器中也有不凡表現(xiàn)，這些充電器由交流/直流轉(zhuǎn)換器加直流/直流轉(zhuǎn)換器組成。這種組合就是一種功率因子控制器(PFC)(圖2)。

　　圖2 典型的電動(dòng)汽車電源架構(gòu)

　　利用GaN，加上開(kāi)關(guān)速度更高的GaN HEMT，可以實(shí)現(xiàn)更小的被動(dòng)組件。增加的頻率透過(guò)較小的電感將功率架構(gòu)引向較低的漣波(ripple)電流，因此改善了功率因子，并得到體積更小、成本更低的電容。更低的漣波電流對(duì)電容的應(yīng)力也更小，從而提高其可靠性和壽命。

　　過(guò)去幾年來(lái)GaN的可靠性已經(jīng)被提高到一個(gè)很高的標(biāo)準(zhǔn)，這是GaN在汽車中使用的關(guān)鍵。

　　利用混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)效率降低溫室氣體排放

　　目前約72%的交通排放由行駛在道路上的汽車產(chǎn)生。改進(jìn)混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以提高其效率是降低排放的主要手段。一種方法是增強(qiáng)DC-link電壓控制架構(gòu)的效率，這意味著首先需要提高串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器效率。

　　DC-link通常連接三個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)：由三相整流器組成的初級(jí)電源；由雙主動(dòng)橋式(DAB)直流/直流轉(zhuǎn)換器組成的次級(jí)電源；由三相位逆變器組成的推進(jìn)負(fù)載(圖3)，它們與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車相關(guān)。

　　圖3 混合動(dòng)力汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)框圖

　　在DC-link和電池電壓不相等的設(shè)計(jì)拓?fù)渲?，直?直流轉(zhuǎn)換器中間解決方案是必需的。有篇IEEE的論文《用于提高串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中電源電路效率的電壓控制方法(Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles)》描述了研究不同架構(gòu)的許多方法以及用于各種DC-link電壓和直流/直流轉(zhuǎn)換器控制的方案。

　　以下將討論比例控制定律(pro-portional control law)，該定律用于控制動(dòng)態(tài)DC-link電壓以實(shí)現(xiàn)DAB直流/直流轉(zhuǎn)換器橋柵極開(kāi)關(guān)波形之間的相移。這種轉(zhuǎn)換器位于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的DC-link和電池之間，如圖4所示。在這種情況下，控制器使直流/直流轉(zhuǎn)換器電能損耗及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗都變得更低。

　　圖4 控制原理圖中的混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系統(tǒng)互連圖

　　引擎(ICE)、連續(xù)可變變速箱(CVT)、永磁同步馬達(dá)(PMSG)或混合動(dòng)力汽車的初級(jí)電源、永磁同步馬達(dá)(PMSM)或混合動(dòng)力汽車的推進(jìn)負(fù)載都是圖中所示系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。

　　在這個(gè)模型中，柴油機(jī)是混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?，直流電池是次?jí)動(dòng)力源。管理控制系統(tǒng)(SCS)根據(jù)電池電量狀態(tài)(SOC)和馬達(dá)負(fù)載來(lái)控制這兩個(gè)動(dòng)力源提供的動(dòng)力比例。

　　事實(shí)上，在這種串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車中，DC-link電壓將抑制條件施加于與單位調(diào)制指數(shù)對(duì)應(yīng)的PMSM和PMSG的理想工作區(qū)，這樣系統(tǒng)就能避免出現(xiàn)導(dǎo)致訊號(hào)失真并降低系統(tǒng)效率的過(guò)調(diào)狀態(tài)。將調(diào)制指數(shù)保持接近1，可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)中電源電路的總效率，從而最大限度地提高逆變器和整流器的效率，而開(kāi)關(guān)過(guò)程是其效率損失的主要因素，因此降低開(kāi)關(guān)電壓可以提高效率。

　　這種能夠最大限度減少功率損失的持續(xù)永久零壓開(kāi)關(guān)(ZVS)機(jī)制最適合具有高混合因子(HF)的汽車，特別是在城市環(huán)境中?；旌弦蜃邮侵竵?lái)自電源的裝機(jī)功率與總裝機(jī)功率之比。這個(gè)混合因子會(huì)影響混合動(dòng)力汽車中的燃油消耗。

　　汽車逆變器

　　主電源逆變器控制著電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的馬達(dá)，是混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要裝置。電源逆變器就像引擎汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)一樣決定著駕駛行為。這種逆變器適用于任何馬達(dá)，比如同步、異步或無(wú)刷馬達(dá)，由整合的電子PCB控制。這塊PCB板是汽車制造商專門(mén)設(shè)計(jì)的，用于最大程度地減少開(kāi)關(guān)損耗，以及最大化地提高熱效率。逆變器的其他功能是捕獲再生制動(dòng)釋放的能量，并回饋給電池充電?；旌蟿?dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的行駛距離與主逆變器的效率直接相關(guān)(圖5)。

　　圖5 混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中的英飛凌主逆變器框架圖。(圖片來(lái)源：英飛凌)

　　雙電壓電池系統(tǒng)

　　管理好混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中的電池要求使用高壓技術(shù)。結(jié)合了12V和48V電池的雙電壓系統(tǒng)需要雙向的直流/直流轉(zhuǎn)換，如圖6所示，目的是保護(hù)電路，支持架構(gòu)化功能。

　　圖6 48V到12V的雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器

　　另外，汽車架構(gòu)設(shè)計(jì)中通常有一個(gè)單相的3.5kW或7kW板載充電器模塊(OBCM)，用于從電網(wǎng)給電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)充電。反之，電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車可以用作能源，也可整合可再生能源的智能電網(wǎng)中以用作儲(chǔ)能設(shè)備。智能電網(wǎng)工作時(shí)考慮到給電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車智能充放電，這也是OBCM必須是雙向直流/直流充電器的原因。

　　這種設(shè)計(jì)的最佳架構(gòu)是升壓系列諧振雙向拓?fù)洌鐖D7所示。它工作在諧振頻率之上，具有零壓開(kāi)關(guān)功能，在最小開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)具有最大的功率傳送性能。與單向電源流轉(zhuǎn)換器相比，這種技術(shù)用MOSFET整流器替代了二極管整流器。這種解決方案也具有較高的效率和較寬的電池容量。圖7所示的這種架構(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是整流橋在關(guān)斷時(shí)具有較大的損耗，這一問(wèn)題在未來(lái)的設(shè)計(jì)中必須解決。

　　圖7 設(shè)計(jì)師有時(shí)使用調(diào)制過(guò)的DAB轉(zhuǎn)換器控制簡(jiǎn)單高頻隔離，這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是組件的應(yīng)力較低；其主要缺點(diǎn)是，ZVS無(wú)法擴(kuò)展到整個(gè)輸出范圍，特別是在輕負(fù)載條件下。這張圖顯示，升壓系列諧振雙向轉(zhuǎn)換器是一種更好的架構(gòu)。

　　Delphi整合和布線

　　Delphi整合了本文討論的所有元組件和其他一些混合電動(dòng)汽車功率電子組件(圖8)，這令人驚嘆。

　　圖8 Delphi在混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中實(shí)現(xiàn)高度整合

　　混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中使用合適的內(nèi)部連接器也十分重要(圖9)。

　　圖9 混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車的關(guān)鍵要素是將質(zhì)量最小化