現在各種電氣化車輛上都會有一個必不可少的部件，叫PCU，也叫動力控制單元，它主要的組成部分包括三個，一個是逆變器（inverter），一個直流轉換器（DC-DC converter），再加上一個升壓轉換器（boost converter）。這三個部件的作用也很明確，升壓轉換器先把電池的電提升電壓，比如特斯拉model 3的電池組供電為350V，經過升壓之後達到650V，然後經過逆變器，逆變器將電池的直流電轉換成交流電，交流電給驅動電機供電，這樣車輛行進。而直流轉換器則是為了給車上的12V車載設備供電，以及給12V蓄電池供電。
在現在主流的PCU方向裡面，逆變器和升壓轉換器都是集成在一起的。目前主流車廠仍然使用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）器件，但是像特斯拉這樣的廠家已經在model 3車型上開始使用SiC MOSFET（碳化硅功率場效應晶體管）。這篇文字就是要介紹從IGBT轉向SiC的意義。
首先我們聊一下在IGBT器件的時代，到底PCU裡的升壓逆變器達到了什麼樣的水平。
首先IGBT器件也不是一成不變的，目前可追溯的2010年的第三代豐田普銳斯上面的那一套PCU，就能達到如下圖的效率。
這幅圖是第三代普銳斯的逆變器效率圖，其中已經包含了升壓的過程。可以看到當電機轉速在4000轉左右到13000轉，電機輸出扭矩在20到140牛米的一個窄小區間內，逆變器效率可以在99%，而到了外圈部分，逆變器效率越來越低，最低的電機轉速1000轉左右的地方，效率只有86%。
而恰好電機轉速低的地方也就是城市裡車輛慢速蠕動的時候。86%的效率還是損失了不少能量的。
那麼時間來到2016年，基於IGBT的逆變器的技術有了不小的發展，直接體現就是在BMW的i3車型上，這臺逆變器相對之前的效率有了不小的提升。如下圖所示。
從上圖可以看到，在轉速大約1000到2000轉之間，逆變器的效率也能達到92%到95%。這一成果主要得益於WBG-based inverter的技術。這一技術叫“high-voltage–wide bandgap”，也叫基於高壓寬禁帶半導體的逆變器。
然而這一技術仍然是基於IGBT器件的。真正能再次將逆變器效率提升一個臺階的，則是基於SiC MOSFET，也就是前面說的碳化硅功率場效應晶體管，並做一系列的效率提升模擬。
包括使用二相調製方案減少器件的開關損失，相對之前的三相調製方案，能減少大約30%的損失。
然後使用MOSFET和二極管減少空轉週期內的二極管導電損失，這個可以最多減少59.7%的導電損失。
那麼這一系列的技術應用會帶來多大的提升呢，美國能源部橡樹嶺國家實驗室做了一個模擬計算，得到了如下的逆變器效率圖。
可以看到，最大效率從原來的99%提升到了99.6%，而2000轉以下的區間裡，1000轉左右的地方可以達到96%的效率，600轉左右可以達到94%的效率。相比之前的1000轉附近效率92%，500轉附近效率85%。在低轉區間提升的效率點數約為4到8個百分點。
也許有人覺得，逆變器效率已經這麼高了，再提高這可憐的幾個百分點有什麼意義？
意義非常重要，它可以大幅降低工作過程中的發熱，減少散熱設施，從而將設備造的更加緊湊。
比如從85%到94%的效率提升，意味著發熱的能量從15%降低到了6%，少了一大半。在3000轉附近效率從97%提升到99%，意味著發熱的能量從3%降低到了1%，少了三分之二的熱量。
除了效率的提升，SiC的功率半導體在輸出電壓和功率密度上也大幅提升。本文前面提到，逆變器都是在升壓變換器之後的，也就是電池的電會先經過升壓之後，再進入逆變器了轉換為交流電。那麼使用SiC的升壓變換器會大幅度提升功率密度和輸出電壓。
同樣是業界的諮詢報告也表達了這一觀點，下面這個截圖來自法國的yole development，一家專注於半導體器件的諮詢公司。
正是因為功率密度的提升以及發熱的減少，所以使用SiC的電動車或者混動車的PCU部件體積可以大幅縮小。以下面這幅電裝的技術展望為例，如果全面使用SiC器件，整個PCU的體積將會減少80%。
除了美國能源部對SiC MOSFET看好之外，業界的廠家也非常積極的推進這一產品。這其中最起勁的就是德國的英飛凌Infinieon.
根據英飛凌自己出具的分析報告，碳化硅相對純硅的IGBT，在半導體的開關損耗上大幅降低。
如下面的圖所示，在turn-off loss，也就是關斷損耗上，碳化硅器件的能量損耗只相當於純硅IGBT的10分之一隻有。在turn-on loss，也就是導通損耗上，能量損耗也只有大約一半左右。
那麼，碳化硅這麼好，它有沒有問題呢？
其實問題是有的，最大的問題就是成本。
根據2017年的加州空氣委員會僱傭Ricardo, Munro&Associates, ZM的一份報告，
如果使用SiC做逆變器，將會帶來一系列的成本增加。
根據報告的分析，以豐田第四代普銳斯的直流變換器，升壓變換器，以及逆變器為例，使用SiC會帶來大約105美元的物料成本的增加。
Toyota Prius DC/DC, Boost Converter, Motor Inverter Cost & Weight Potential Analysis
也許很多人不清楚增加105美元意味著什麼。那麼我們就以普銳斯的整個Power Inverter Module模塊的成本來算。下面的表格表示，如果第四代普銳斯年產20萬輛，那麼其整個Power Inverter Module成本其實只有566美元。注意這裡的Power Inverter Module是包含了上述的三個部分的，即直流轉換器，升壓轉換器和逆變器。按照報告的說法：
The Toyota Prius Power Inverter Module provides three distinct functions. Provide motor control switching high voltage DC to three phase AC (Vehicle Traction Motor and Vehicle Motor Generator), convert high voltage three phase AC to high voltage DC (Motor Generator), and converting low voltage DC to high voltage DC (Boost Conversion) or high voltage DC to low voltage DC (Buck Conversion; 12-volt for typical vehicle electrical architecture).
也就是說整個PIM模塊其實成本只有566的情況下，就要增加105美元。對這個模塊而言，成本的增加比例是很高的。
當然，這些工業化產品，真正實現大規模生產之後，成本很少是問題，除了需要採用稀有原材料的之外。
所以我們可以很容易的看到，將來的電驅動車輛會普及SiC器件，讓電驅動車輛跑的更遠。
原文題目：從IGBT到SIC，這些年電動車的動力升級都經歷了什麼？
*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，泰科天潤半導體轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表泰科天潤半導體對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫泰科天潤半導體。
閱讀更多 泰科天潤半導體 的文章
