淺談新能源車的供電系統及電源驅動器

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汽車動力系統電氣化和電氣化是交通領域實現碳中和的必經之路。身為全球第一家汽車半導體科技公司，英飛凌堅信「零排放終將實現」的觀點，並致力於推動這一目標的早日實現。

這裡的「電氣化」是指傳統內燃機多種模式與電動馬達並存的混合動力系統，而「電氣化」則是指完全擺脫傳統內燃機的電力驅動動力系統。在汽車「電動化」、「電動化」的過程中，各國和地區以及各個汽車廠商選擇的路徑是相似的，但所有的道路都通往同一個目標。 這包括 48V 等微混合系統以及全混合動力和插電式混合動力系統。 既包括以鋰離子電池為能源載體的純電動車，也包括以氫為能源的燃料電池汽車。

眾所周知，一個系統可以抽象化為五個部分：感知、計算、執行、通訊和供電。本文將在這五個部分中就動力供給和執行力兩個主題提出一些個人的看法和思考。。

一、車載供電系統中的供電電壓軌跡

目前，我們在乘用車上看到的電源系統有12V、48V和高壓（400V/800V）。在傳統內燃機乘用車中，一直採用12V電源，而相應的半導體產品也佔據了很大一部分市場。 根據一些國際權威機構的預測訊息，由純內燃機驅動的汽車將在2030年左右退出市場。 不過，考慮到12V系統成熟的零件供應鏈的規模優勢以及適合該系統應用的半導體產品相對較低的成本優勢，12V電源軌應該會存在很長一段時間。 屆時，DC-DC將完全取代傳統的12V交流發電機，成為12V系統中電池充電和負載供電的電源，這將帶來12V供電系統特性的一些變化，例如甩負載等。
根據相應的供電標準，可能會進行相應調整。48V作為安全電壓等級，因其較低的絕緣等級要求等因素，在混合動力系統中具有一定的性價比優勢。 隨著48V系統供應鏈的完善，大規模生產的成本降低。同時，不同高壓車輛中部分零件的標準化有助於供應商和整車製造商降低零件管理成本。 這樣，48V供電軌不僅可以引入微混系統的車輛中，也可以引入高壓系統的新能源汽車中，從而使一些中等功率的負載（例如1kW-10kW之間）可以在48V供電系統中運行，從而帶來了將高電壓（400V/800V）轉換為48V的DC-DC轉換器應用的亮眼。

由於同車共存三軌（HV、48V、12V），考慮到整車的架構、功能安全和成本，供電網路拓撲採用集中式變壓器或分散式變壓器將取決於整車的設計。 ，DC-DC的功率等級和功能安全等級也會有不同的要求。

   

二、關於“執行”

如上所述，電源電壓三軌並存，導致不同電壓軌下對致動器的要求不同，即對半導體功率元件的要求不同。 不同的電壓軌要求半導體功率元件具有不同的耐壓等級。 不同的應用需要功率元件不同的驅動電流和不同的開關頻率。

48V電壓軌集中了1kW至10kW功率等級的應用。 其中以DC-DC和馬達逆變器佔大多數，從耐壓和功率等級考慮，這裡是矽基MOSFET和GaN的主戰場。 不過，目前GaN在汽車電子領域的應用還需要一段時間。

下圖給出了矽、碳化矽、氮化鎵功率裝置對應的一些應用領域，以供參考。

對於高壓軌中使用的功率元件，目前最熱門的話題是碳化矽（SiC）。 碳化矽功率元件具有開關損耗低、耐壓高、工作溫度高、散熱能力高等優點，使系統可以工作在更高電壓、更高頻率下，從而縮小被動元件體積，降低功率損耗系統的性能並提高系統的功率密度。 然而，另一方面，目前由碳化矽製成的裝置與矽製成的裝置相比也存在一些缺點。 綜合以上結果，我們認為矽和碳化矽功率元件將在未來相當長的一段時間內共存，在各自領域充分發揮各自的優勢。

根據英飛凌的分析測試訊息，採用碳化矽元件的電源系統與同功率等級採用矽元件的電源系統相比，可降低約7.6%的功率損耗，包括馬達驅動時的功率損耗降低以及馬達驅動時的功率損耗降低。

下圖是馬達採用矽基IGBT和碳化矽MOSFET在不同轉速、扭力下功率元件功耗差異的一組實驗數據比較。 可以看出，當馬達轉速為2667rpm，輸出扭力為553.3Nm時，矽基IGBT的功耗比碳化矽MOSFET小約13%。

由此我們可以大致得到矽基IGBT和碳化矽MSOFET在驅動逆變器中的應用場景，如下圖所示：

採用矽基IBGT與碳化矽MOSFET共用的「Hybrid」方案，可以充分發揮各自的優勢，取長補短。 採用矽基IGBT驅動的電機，能充分發揮大電流下比MOSFET功率損耗小的優勢，主要提供高扭力輸出，體現整車的加速性能； 而碳化矽MOSFET驅動的馬達更多的工作在巡航狀態，提高了能量利用效率。 從而達到兩全其美，魚與熊掌兼得的目的。

這可以使車輛在減少電池容量的同時保持相同的續航里程，從而降低電池成本，並對引入碳化矽功率裝置帶來的成本增加做出一定補償。 同時，電池容量的減少和逆變器功率密度的提高也可以減輕整車的重量，並提高整車的能源利用效率。

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