下一代 800 V 電動(dòng)汽車牽引逆變器參考設(shè)計(jì)：提高電動(dòng)汽車的性能耐久性和續(xù)航里程

為了實(shí)現(xiàn)零排放的未來(lái)，汽車行業(yè)迫切需要重塑。我們今天所了解和駕駛的燃油車歷經(jīng)了數(shù)十年的演變發(fā)展。新型電動(dòng)汽車的舒適度、駕駛體驗(yàn)、耐用期限和安全性應(yīng)能夠與燃油車相媲美。為此，汽車制造商必須加速推出性能相當(dāng)甚至超越燃油車的新款差異化電動(dòng)車型，這需要做出大膽決策、嘗試新材料，并尋找擁有同樣愿景和創(chuàng)新渴望的合作伙伴。

圖 1：功率逆變器模塊解剖構(gòu)造

為了支持其汽車合作伙伴并加速汽車電氣化進(jìn)程，Wolfspeed 與恩智浦 (NXP) 攜手推出了一款經(jīng)過(guò)全面測(cè)試的 800 V 牽引逆變器參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)能夠幫助電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)師有效克服諸多障礙，包括選擇合適的組件以提升系統(tǒng)效率、符合功能安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以及確保長(zhǎng)期可靠性。

電動(dòng)汽車牽引逆變器參考設(shè)計(jì)是一個(gè)完整的系統(tǒng)解決方案，包含基于 Arm? Cortex?-M7 的 S32K39 MCU、電源管理符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的 FS26 系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片，以及最新一代高壓隔離柵極驅(qū)動(dòng)器 GD3162。為了完善該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中還包含 Wolfspeed 1200 V 三相全橋 YM 碳化硅功率模塊。

圖 2：基于恩智浦 (NXP) 800 V EV -INVERTERGEN3 參考設(shè)計(jì)和 Wolfspeed 碳化硅功率模塊的完整 ECU 解決方案

該電動(dòng)汽車牽引逆變器參考設(shè)計(jì)已在 Wolfspeed 慕尼黑實(shí)驗(yàn)室通過(guò)硬件在環(huán) (HIL) 設(shè)置進(jìn)行了聯(lián)合測(cè)試。在 800 V 電池工作條件下，其峰值功率超過(guò)了 300 kW。

圖 3：實(shí)驗(yàn)室 HIL 設(shè)置的測(cè)試結(jié)果

為最大限度提升效率而設(shè)計(jì)：動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度滿足不同的功率需求

實(shí)驗(yàn)室仿真結(jié)果顯示，得益于恩智浦 (NXP) 高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的專用功能，最高效率提升近 1%。該功能使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行條件動(dòng)態(tài)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，從而在效率、開(kāi)關(guān)速度和電磁性能之間實(shí)現(xiàn)平衡。根據(jù)全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試程序(WLTP) 的一些模型，與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車解決方案相比，該設(shè)計(jì)有望將續(xù)航里程增加 14 英里（近 22.5 公里）。

圖 4：效率提升增益曲線

全面的功能安全設(shè)計(jì)理念：確保從器件到系統(tǒng)級(jí)功能安全

在 FuSA 方面，合規(guī)組件的設(shè)計(jì)始終以高質(zhì)量和高可靠性為優(yōu)先原則。安全性貫穿于設(shè)計(jì)、制造、文檔編制以及技術(shù)支持的每一個(gè)環(huán)節(jié)。在電動(dòng)汽車牽引逆變器參考設(shè)計(jì)中，采用了符合最高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) ASIL D 的組件，包括恩智浦 (NXP) 的 S32K396 MCU、FS2633 系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片及 GD3162 高壓柵極驅(qū)動(dòng)器。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化客戶集成流程，設(shè)計(jì)還提供了一些 FuSa 文檔，例如系統(tǒng)安全概念，詳細(xì)闡釋了從假設(shè)安全目標(biāo)到硬件和軟件級(jí)別的安全要求。

為實(shí)現(xiàn)可靠性和長(zhǎng)久耐用性而設(shè)計(jì)：YM 碳化硅功率模塊

針對(duì) 800 V 牽引逆變器而設(shè)計(jì)的碳化硅解決方案。相比傳統(tǒng)的硅 IGBT，碳化硅材料本質(zhì)上更可靠、更耐用。Wolfspeed YM 系列車規(guī)模塊以先進(jìn)封裝技術(shù)為支撐，將為系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性注入新的選擇。

1200 V 三相全橋YM系列碳化硅功率模塊采用直接冷卻的銅針翅基板設(shè)計(jì)，通過(guò)將針翅直接浸入冷卻劑中，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組裝，還顯著提升了熱性能。此外，模塊使用氮化硅基板，這種堅(jiān)固的陶瓷材料具有卓越的抗熱沖擊和耐磨性，有效地將芯片產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)，從而降低系統(tǒng)工作溫度。另一個(gè)創(chuàng)新的封裝特性是燒結(jié)芯片粘接技術(shù)。這種先進(jìn)的芯片粘合方法在芯片和氮化硅基板之間建立了牢固的結(jié)合，從而確保出色的導(dǎo)熱性和機(jī)械耐久性，支持更高的功率輸出并提供優(yōu)異的熱循環(huán)性能。直接冷卻銅針翅技術(shù)和燒結(jié)芯片粘接技術(shù)共同提高了熱性能和系統(tǒng)使用壽命。

YM 模塊通過(guò)銅夾片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊線，大幅提升了模塊的載流能力與功率循環(huán)壽命。同時(shí)，其優(yōu)化的端子布局有效降低了封裝電感，減少電壓過(guò)沖，實(shí)現(xiàn)了超低開(kāi)關(guān)損耗。為了降低潛在的機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)，車規(guī)級(jí) YM 模塊采用硬質(zhì)環(huán)氧樹(shù)脂封裝。與凝膠基封裝相比，環(huán)氧樹(shù)脂模塑料不僅提供了優(yōu)異的防潮性能，還具備更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)完整性。通過(guò)將燒結(jié)芯片粘接、銅夾和環(huán)氧樹(shù)脂模塑料相結(jié)合，與同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，模塊使用壽命得以延長(zhǎng)至 3 倍。

圖 5：Wolfspeed 三相全橋 YM 系列碳化硅功率模塊

先進(jìn)的封裝技術(shù)為車規(guī)級(jí)的 YM3 功率模塊提供了強(qiáng)有力保障，能夠有效應(yīng)對(duì)在嚴(yán)苛汽車環(huán)境中運(yùn)行的挑戰(zhàn)。這一設(shè)計(jì)確保了性能的一致性，還賦予了模塊卓越的耐用性。

結(jié)論

Wolfspeed 與恩智浦 (NXP) 攜手打造的 800 V 牽引逆變器參考設(shè)計(jì)，標(biāo)志著汽車行業(yè)向電動(dòng)化邁出的重要一步。該參考設(shè)計(jì)解決了電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括提升效率、功能安全和長(zhǎng)期可靠性，確保了電動(dòng)汽車的性能可與燃油車相媲美甚至超越燃油車。憑借動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度調(diào)節(jié)技術(shù)和先進(jìn)的碳化硅功率模塊，這款參考設(shè)計(jì)成為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員的重要工具，助力打造高質(zhì)量、高能效、安全的電動(dòng)車型，同時(shí)確保其在整個(gè)生命周期內(nèi)保持卓越的性能表現(xiàn)。