在商用车领域使用电机和碳化硅功率半导体的优势与挑战
图1：与乘用车领域一样，商用车领域也在向传动系统电气化迈进
本文将从二氧化碳减排、未来动力总成的技术驱动因素等角度对商用车进行讨论，并探讨了基于碳化硅（SiC）的现代半导体器件，这些器件可以实现外形更小、效率更高和功能更强大的转换器。在商用车领域，与乘用车相比，由于驱动架构不同，这个领域并没有一个通用的解决方案适用于所有情况。
01商用车电机的优势与挑战
世界各地为减少交通运输中温室气体和污染物排放而制定的排放标准，使电力驱动开始崭露头角。除了乘用车外，越来越多的商用车（例如：卡车、公共汽车、货车或农用车和建筑车）也开始采用电力驱动。相比过去的内燃机车，电动商用车更环保、更安静，也更高效；在拥有成本、维护和故障方面，对车主和运营商也更具吸引力。可以带来更高的生产率和更佳的投资回报。
电机的一个主要优势是效率高。内燃机的效率变化很大，特别是在可变负载或部分负载的情况下。在极端情况下，效率甚至可能降至15%或更低。电机的效率并不取决于其工作点。在相同的工作条件下，构成电力驱动系统的电机和逆变器可以实现更高的效率水平。电力传动系统在最佳状态下可以达到80%以上的效率。电力传动系统之所以能够实现这一点，是因为其功率电子器件本身可以达到高达85%的效率水平。
在设计或选择逆变器时，需要考虑的重要因素包括功率密度、可靠性、稳健性、效率和安全性。另外，特别是在商用车领域，还必须考虑严酷的工作条件对总预期寿命的长期影响。通常而言，这些条件比乘用车面临的条件要严峻得多。要根据这些标准开发逆变器，需要具备深厚的应用知识，以及涵盖功率和驱动器模块、传感器和微控制器的半导体产品组合，如图2的系统图所示。
图2：系统示意图——商用车驱动逆变器
02碳化硅（SiC）——商用车领域的新机遇
相比乘用车，商用车需要更长的续航里程和电池寿命。由于电池占用了较大的安装空间，因此商用车需要使用高效的功率电子产品。这种功率电子产品不仅可以构建更高效的牵引变流器，还可以在小型应用中实现节能。这些小型应用包括液压泵、空调和制冷装置的压缩机，以及车载充电器。
图3：SiC晶圆MOSFET的俯视图
碳化硅（SiC）器件在这些应用中带来了显着的改进。通常来说，在相同负载情况下，SiC技术比功率MOSFET和IGBT的损耗更低。这意味着该技术可以提高开关和载流效率，这些优势在较高的中间电路电压下大有可为。由于这些特性，SiC半导体特别适用于电池电压和总储能容量更高的电动汽车。由于SiC器件还能够在更高的电压下工作，因此可以实现车载充电解决方案，从而缩短充电时间，并降低总损耗。
在传动系统中，用于控制电力牵引电机的逆变器是一个典型的集中式系统。从效率的角度来看，这些系统可以通过使用SiC器件而获益。逆变器的核心功能是将直流电压转换为三相交流电压，用于驱动电机。它们还会在再生制动期间反向运行，捕获车辆的动能，以产生用于为车辆电池充电的直流电压。只有当能量转换的固有损耗较低时，系统的效率才能最大化。与传统的硅技术相比，SiC器件的导电性有所改善，从而减少了这些转换损耗（其中很大一部分损耗以热量的形式存在）。提高SiC逆变器的效率，有助于最大限度地延长电动汽车的续航里程，从而更有效地利用有限的电池容量。除了效率方面的优势外，基于SiC器件的逆变器还具
有更高的功率密度。这意味着SiC逆变器可以变得更小，占用的安装空间也更少。
图4：用碳化硅实现了更高的功率密度
为了满足电动汽车功率电子系统日益增长的效率与功率密度提升需求，研究碳化硅器件将大有裨益。与硅基器件相比，SiC-MOSFET具有更低的损耗、更高的开关频率，以及更高的功率密度。
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