作者：Faheem Zahid, Littelfuse產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Jose Padilla, Littelfuse產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)

Littelfuse推出新型1300V A5A溝槽分立式IGBT，專(zhuān)為800V電動(dòng)汽車(chē)（BEV）應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些IGBT具有優(yōu)化的集電極-發(fā)射極飽和電壓（VCE(sat)）、強(qiáng)大的短路能力和更大的電流范圍。特別適用于PTC加熱器、放電電路和預(yù)充電系統(tǒng)等應(yīng)用，這些應(yīng)用的重點(diǎn)是更高的浪涌電流和低導(dǎo)通壓降，而不是高開(kāi)關(guān)頻率。

背景

汽車(chē)行業(yè)正積極擁抱可持續(xù)發(fā)展，其中電動(dòng)汽車(chē)（BEV）因其高效率和零尾氣排放而走在前列。2023年，BEV和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（PHEV）的全球銷(xiāo)量達(dá)到1360萬(wàn)輛，比2022年增長(zhǎng)了31%。據(jù)預(yù)測(cè)，這一數(shù)字在未來(lái)幾年還將加速增長(zhǎng)。

盡管有所增長(zhǎng)，但挑戰(zhàn)依然存在。過(guò)高的成本、過(guò)長(zhǎng)的充電時(shí)間和有限的行駛里程繼續(xù)阻礙著它的廣泛應(yīng)用。為了解決這些問(wèn)題，制造商正在推出800V BEV系統(tǒng)。這種更高的電壓架構(gòu)可加快充電速度，大大減少充電時(shí)間和成本。

硅技術(shù)并未消亡

自電動(dòng)汽車(chē)（EV）大規(guī)模應(yīng)用的最初幾年起，碳化硅（SiC）和其他寬帶隙（WBG）技術(shù)就被認(rèn)為是各種BEV子系統(tǒng)的理想候選材料。與硅相比，WBG材料具有更高的帶隙和更大的擊穿電壓，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度、更高的開(kāi)關(guān)頻率并降低總體損耗。這些優(yōu)點(diǎn)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠提高效率、縮小體積和減輕重量，特別是在允許高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用中。因此，正如大量研究表明的那樣，碳化硅已成為牽引逆變器的主流技術(shù)，但也有一些例外。

硅制造工藝的成熟性、豐富的可選項(xiàng)、較低的成本、較簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)方法以及器件的可靠性，使得硅功率MOSFET和IGBT仍然是WBG技術(shù)的可行替代品。選擇合適的器件取決于技術(shù)嫻熟的設(shè)計(jì)人員，而作為供應(yīng)商，我們有責(zé)任提供全面的選擇，以滿(mǎn)足不同的需求和偏好。

在需要低開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用中，傳導(dǎo)損耗和熱設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性都是至關(guān)重要的因素。WBG器件固有的高功率密度會(huì)給熱管理帶來(lái)挑戰(zhàn)，而硅IGBT和MOSFET較大的芯片面積則有利于在這些情況下更輕松地進(jìn)行熱管理。

電動(dòng)汽車(chē)有復(fù)雜的電路，包括一些對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)頻率要求不高的子系統(tǒng)。

應(yīng)用

圖1展示了電動(dòng)汽車(chē)中的通用電池分配單元（BDU）。

圖1 電池分配裝置

熱管理PTC子系統(tǒng)、預(yù)充電電路和放電電路中的并不一定需要更高的開(kāi)關(guān)頻率。相反，它們需要低傳導(dǎo)損耗、高浪涌電流能力半導(dǎo)體器件，以實(shí)現(xiàn)高可靠性。

BEV的熱管理

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車(chē)本身會(huì)產(chǎn)生大量的熱能浪費(fèi)，而電動(dòng)汽車(chē)則不同，它的效率要高得多。但這種效率的后果是，它們不會(huì)產(chǎn)生足夠的廢熱來(lái)加熱。

電動(dòng)汽車(chē)（EV）有兩個(gè)與熱管理相關(guān)的重要要求：

電動(dòng)汽車(chē)電池調(diào)節(jié)

在寒冷環(huán)境條件下的車(chē)內(nèi)空間加熱

在寒冷的環(huán)境溫度下，PTC加熱器和熱泵可用于調(diào)節(jié)電池以達(dá)到最佳性能，產(chǎn)生的熱量還可用于車(chē)內(nèi)空間加熱。PTC加熱器的典型電路配置如下所示。

圖2 PTC加熱器電路

在這種應(yīng)用中，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率從幾十赫茲到幾百赫茲不等。低導(dǎo)通壓降、可靠耐用（短路能力）和良好的半導(dǎo)體熱性能是這一應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

放電電路

800V BEV系統(tǒng)中直流母線電容器的放電要求，高壓電池電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵安全協(xié)議要求在兩種不同的運(yùn)行情況下對(duì)直流母線電容器進(jìn)行放電：

正常運(yùn)行關(guān)閉

緊急情況，如碰撞后或嚴(yán)重故障檢測(cè)

這些放電機(jī)制是基本的安全功能，旨在降低車(chē)內(nèi)人員和維修人員觸電的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)防止?jié)撛诘幕馂?zāi)危險(xiǎn)。根據(jù)制造商的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估協(xié)議，這種應(yīng)用通常被劃分為汽車(chē)安全完整性B級(jí)（ASIL-B）。

在800V BEV架構(gòu)中，標(biāo)稱(chēng)電池電壓屬于B類(lèi)電壓（60V 1500V）。根據(jù)ISO 6469-4安全規(guī)定，系統(tǒng)必須確保在緊急情況下快速降低電壓。具體來(lái)說(shuō)，在碰撞后車(chē)輛停止后的5秒內(nèi)，總線電壓必須降至并保持在直流60V以下。

典型的放電電路如圖3所示。

圖3 直流鏈路電容器放電電路

直流母線電容器可通過(guò)IGBT放電。需要時(shí)，打開(kāi)IGBT，通過(guò)與IGBT串聯(lián)的Rdis電阻器對(duì)電容器中的所有能量進(jìn)行放電。具有高浪涌電流能力的可靠IGBT對(duì)于這種應(yīng)用非常重要。

預(yù)充電電路

預(yù)充電電路通常用于電動(dòng)汽車(chē)（EV），包括電池管理系統(tǒng)和車(chē)載充電器，以及電源和配電裝置等工業(yè)應(yīng)用。在電動(dòng)汽車(chē)中，控制器不僅要處理高電容電氣元件，還要通過(guò)控制電機(jī)的功率流來(lái)確保電機(jī)平穩(wěn)高效地運(yùn)行。預(yù)充電電路中的高壓正負(fù)接觸器可安全地連接和斷開(kāi)電容器的電源，防止啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的浪涌電流。它們可確保充電受控，并在必要時(shí)通過(guò)隔離組件來(lái)維護(hù)系統(tǒng)安全。如果沒(méi)有預(yù)充電電路，接觸器在閉合過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生熔化，導(dǎo)致短暫電弧和潛在損壞。

其中一種預(yù)充電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預(yù)充電電路

在上述電路中，有兩個(gè)大電流、高電壓接觸器S1和S2，以及一個(gè)單獨(dú)的預(yù)充電開(kāi)關(guān)T1和一個(gè)直流鏈路電容器C1，它們與負(fù)載（如牽引逆變器）并聯(lián)。起初，兩個(gè)大電流接觸器S1和S2都處于斷開(kāi)狀態(tài)，將高壓蓄電池與負(fù)載的兩個(gè)端子隔離。預(yù)充電開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)T1（1300V A5A IGBT）與高壓負(fù)極接觸器S1一起閉合，使直流鏈路電容器充電至與蓄電池相同的電壓。預(yù)充電過(guò)程結(jié)束后，開(kāi)關(guān)T1打開(kāi)，高壓正極接觸器S2關(guān)閉。由于直流鏈路電容器在高壓正極和負(fù)極接觸器閉合之前已經(jīng)充電，因此不會(huì)產(chǎn)生明顯的浪涌電流。1300V A5A IGBT具有很高的浪涌電流能力，因此非常適合這種應(yīng)用。

圖5顯示的是Littelfuse的BDU演示板，其中包含一個(gè)1300V A5A IGBT。

圖5 Littelfuse的BDU演示板

Littelfuse提供1300V A5A溝槽式IGBT

為了滿(mǎn)足800V BEV不斷發(fā)展的需求，Littelfuse推出了全新系列的1300V溝槽分立式IGBT，如下圖6所示。這些器件專(zhuān)為需要降低傳導(dǎo)損耗（Pcond）、良好熱性能和可靠性的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該系列的A級(jí)IGBT具有優(yōu)化的低集電極-發(fā)射極飽和電壓（VCE(sat)），從而提高了低頻開(kāi)關(guān)性能。這些IGBT具有高達(dá)10μsec的短路可靠性。這一特性尤其適用于關(guān)鍵的BEV系統(tǒng)，如對(duì)車(chē)內(nèi)空間加熱和電池調(diào)節(jié)至關(guān)重要的PTC加熱器。此外，這些IGBT還可用于預(yù)充電和放電電路。

圖6 1300V A5A產(chǎn)品陣容

該系列包括集電極電流為15A、30A、55A和85A（外殼溫度為110°C）的單通道IGBT。封裝選項(xiàng)有SMD TO-263HV、TO-268HV和插件TO-247。與傳統(tǒng)的三引腳TO-263和TO-268封裝相比，SMD封裝的HV版本具有更強(qiáng)的爬電和電氣距離。 量產(chǎn)時(shí)間為2025年。

性能和優(yōu)勢(shì)

更高的擊穿電壓BVCES：1300V擊穿電壓專(zhuān)為800V BEV架構(gòu)定制，適用于乘用車(chē)和重型卡車(chē)。1300V額定電壓可為直流母線電壓提供緩沖，直流母線電壓會(huì)根據(jù)電池的充電狀態(tài)而波動(dòng)，然而1200V額定電壓的器件可能會(huì)帶來(lái)應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

1300V的器件電流范圍更廣：集電極電流范圍為15A至85A（110°C時(shí)），可滿(mǎn)足乘用車(chē)和重型車(chē)輛的各種應(yīng)用要求。

傳導(dǎo)能量損耗最小化Econd：該系列是1300V IGBT中VCE（飽和）值最低的產(chǎn)品之一，有效地將傳導(dǎo)損耗降至最低。這一特性不僅提高了效率，還緩解了熱設(shè)計(jì)難題。

短路能力tSC：1300V IGBT可處理長(zhǎng)達(dá)10微秒的短路能力，因此適用于需要更高可靠性的汽車(chē)應(yīng)用。

封裝：表面貼裝分立封裝包括TO-263HV、TO-268HV和插件TO-247。這些SMD封裝的高壓（HV）版本與標(biāo)準(zhǔn)3引腳版本相比，改善了爬電距離和電氣距離。

結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)行業(yè)向更高電壓架構(gòu)的電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)變，硅IGBT對(duì)于要求較低開(kāi)關(guān)頻率和最小傳導(dǎo)損耗的應(yīng)用仍然至關(guān)重要。Littelfuse的1300V A級(jí)溝槽式IGBT系列可滿(mǎn)足800V BEV子系統(tǒng)的特殊需求，特別是在PTC加熱器、放電電路和預(yù)充電應(yīng)用中。這些IGBT具有低VCE（飽和）、短路能力和寬電流范圍。同時(shí)提供SMD和插件封裝，具有更強(qiáng)的爬電和電氣距離，為設(shè)計(jì)提供了靈活性。