有兩個主要的中斷影響車輛運輸和半導體技術的未來。我們正在采用一種令人興奮的新方法，以清潔電力驅動我們的車輛，同時重新設計支撐電動汽車 (EV) 子系統的半導體材料，以最大限度地提高能效，進而最大限度地提高 EV 的行駛里程。

政府監管機構繼續要求汽車原始設備制造商減少其車隊的整體 CO 2排放，對違規行為進行嚴厲處罰，并且電動汽車充電基礎設施開始在我們的道路和停車場旁邊激增。然而，盡管取得了所有這些進步，但由于對電動汽車續航里程限制的擔憂揮之不去，主流消費者對電動汽車的采用仍然受到阻礙。

更復雜的是，更大的電動汽車電池尺寸可以延長電動汽車的續航里程并消除消費者的續航焦慮，同時可能會提高電動汽車的價格——電池占最終車輛成本的 25% 以上。

幸運的是，并行發生的半導體革命產生了新的寬帶隙器件，例如碳化硅 MOSFET 功率開關，這些器件有助于縮小消費者對電動汽車續航里程的期望與 OEM 以具有競爭力的成本結構滿足這些需求的能力之間的差距。

圖 1：電動汽車中的功率轉換元件。牽引逆變器將高壓電池的直流電壓轉換成交流波形來驅動電機，進而推動汽車。

充分利用 SiC 技術

圖 2：電池到電機信號鏈。為了實現范圍擴展，每個模塊都應設計為最高效率水平。

基于 SiC 的功率開關在功率密度和效率方面的固有優勢是眾所周知的，對系統冷卻和尺寸具有關鍵影響。向 SiC 的演變有望實現 800 V/250 kW 的 3 倍更小逆變器，并在配套直流鏈路薄膜電容器上進一步顯著節省尺寸和成本。與傳統硅相比，碳化硅電源開關可以實現更好的覆蓋范圍和/或更小的電池組，使開關在從設備級到系統級的成本比較中具有優勢。

在這些范圍和成本考慮的交叉點上，牽引逆變器仍然是旨在進一步提高電動汽車效率和范圍增益的創新中心。作為牽引逆變器中最昂貴和功能最重要的元件，碳化硅功率開關需要非常精確地控制，以實現額外開關成本的全部優勢。

事實上，SiC 開關的所有固有優勢都將被共模噪聲擾動以及由于在管理不善的電源開關環境。從廣義上講，碳化硅開關雖然有底層技術，但功能相對簡單——它只是一個三端設備——但它必須小心地與系統接口。

圖 3：開啟（左）和關閉（右）時的電壓和電流波形。在 SiC 環境中，dV/dt 將超過 10 V/ns，這意味著切換 800 VDC 電壓的時間不超過 80 ns。以類似的方式，可以觀察到 10-A/ns（即 80 ns 中的 800 A）類型的 di/dt。

輸入柵極驅動器

圖 4：隔離式柵極驅動器橋接信號世界（控制單元）和電源世界（碳化硅開關）。除了隔離和信號緩沖，驅動器還執行遙測、保護和診斷功能，使其成為信號鏈的關鍵元素。

隔離式柵極驅動器將負責設置最佳開關甜蜜點，確保通過隔離屏障的傳播延遲短而準確，同時提供系統和安全隔離，控制電源開關過熱，檢測和防止短路，并促進插入ASIL-D 系統中的子塊驅動/開關功能。

然而，由 SiC 開關引入的高壓擺率瞬變可能會破壞隔離屏障上的數據傳輸，因此測量和了解對這些瞬變的敏感性至關重要。i Coupler ADI 專有技術顯示出領先的共模瞬變抗擾度，實測性能高達 200 V/ns 及以上。這在安全操作下釋放了 SiC 開關時間的全部潛力。

圖 5：20 多年來，ADI 憑借i Coupler 數字隔離 IC引領了數字隔離技術的進步。該技術包括具有厚聚酰亞胺絕緣層的變壓器。數字隔離器使用代工CMOS工藝。變壓器是差分的，可提供出色的共模瞬態抗擾度。

高性能柵極驅動器已在 Wolfspeed 等領先 SiC MOSFET 電源開關供應商的實際測試中證明了其價值。在包括短路檢測時間和總故障清除時間在內的關鍵參數上，性能可分別低至 300 ns 和 800 ns。為了提供額外的安全和保護，測試結果證明了可調節軟關斷功能對于系統平穩運行至關重要。

同樣可以最大化開關能量和電磁兼容性 (EMC)，以提高功率性能和 EV 續航里程。更高的驅動能力允許用戶擁有更快的邊緣速率，從而減少開關損耗。這不僅有助于提高效率，而且無需為每個柵極驅動器分配外部緩沖器，從而節省了電路板空間和成本。相反，在某些條件下，系統可能需要更慢地切換以達到最佳效率，甚至分階段切換，研究表明這可以進一步提高效率。ADI 提供了一個可調節的壓擺率以允許用戶執行此操作，并且去除外部緩沖器消除了進一步的障礙。

系統中的元素

需要注意的是，柵極驅動器和 SiC 開關解決方案的綜合價值和性能可能會因周圍組件的妥協和/或低效而完全抵消。ADI 在電源和傳感方面的傳統及其性能優化的系統級方法涵蓋了廣泛的設計考慮因素。

電動汽車的整體視圖揭示了優化動力傳動系統功率效率的更多機會，這對于利用最大可用電池容量同時確保安全可靠運行至關重要。BMS 的質量直接影響電動汽車每次充電的里程數，最大限度地延長電池的整體壽命，從而降低總擁有成本。

在電源管理方面，克服復雜電磁干擾 (EMI) 挑戰的能力——同時不影響 BOM 成本或 PCB 占用空間——變得至關重要。電源效率、熱性能和封裝仍然是電源層的關鍵考慮因素，無論該層是用于隔離式柵極驅動器電源電路還是輔助高壓到低壓 DC 到 DC 電路。在所有情況下，消除 EMI 問題的能力對 EV 設計人員來說都更為重要。在切換多個電源時，EMC 是一個關鍵痛點，卓越的 EMC 可以大大縮短測試周期和降低設計復雜性，從而加快上市時間。

深入支持組件的生態系統，磁性傳感的進步產生了新一代非接觸式電流傳感器，可提供高帶寬和精度的無功率損耗，以及用于軸端和軸外配置的準確和穩健的位置傳感器. 在典型的插電式混合動力電動汽車中部署了 15 到 30 個電流傳感器，其中1 個帶有監控牽引電機功能的旋轉和位置傳感器。對雜散場的感測精度和穩健性是測量和保持 EV 電源子系統效率的關鍵屬性。

端到端的效率

從整體上看 EV 動力系統中的所有元素——從電池到牽引逆變器再到支持組件等等——ADI 看到了以提高整體功率效率和擴展 EV 行駛里程的方式改進電動汽車的無數機會。數字隔離是該等式的眾多重要部分之一，因為 SiC 功率開關技術已滲透到 EV 牽引逆變器中。

同樣，汽車 OEM 可以利用多學科方法進行 EV 優化，以幫助確保所有可用的電源監控和控制設備密切協同工作，以實現最高性能和效率。反過來，它們可以幫助克服主流消費者采用電動汽車的最后剩余障礙——車輛行駛里程和成本——同時幫助確保所有人的綠色未來。

審核編輯：郭婷