隨著新能源汽車的發(fā)展，其關(guān)鍵部件主驅(qū)逆變器的重要性越來越高。市場對主驅(qū)逆變器提出了哪些核心需求；在不同的需求下，市場上又有哪些流行的主驅(qū)技術(shù)方案；汽車廠商又如何選擇一款合適的主驅(qū)方案？
近年，新能源汽車在全球各大主流汽車市場取得了長足發(fā)展，根據(jù)歐洲汽車制造商協(xié)會ACEA的數(shù)據(jù)，2023年1-10月歐盟國家累計(jì)新能源汽車（BEV+PHEV）注冊量約194萬輛，同比增長約32%，滲透率超過20%；而乘聯(lián)會公布的數(shù)據(jù)中，國內(nèi)同期新能源汽車零售量高達(dá)596.2萬輛，同比增長34.7%，滲透率更是高達(dá)34.5%。
隨著市場擴(kuò)大以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，新能源汽車早已從以往的政策驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品驅(qū)動。從近幾年的新能源汽車產(chǎn)品也能夠看到，無論是自動駕駛、座艙等智能化程度，還是續(xù)航里程、電驅(qū)系統(tǒng)性能等方面都有了很大的提升。
主驅(qū)逆變器作為控制主驅(qū)電機(jī)的關(guān)鍵部件，它將電池包的直流電轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機(jī)的交流電，其轉(zhuǎn)換的效率則很大程度上決定了車輛行駛的能耗表現(xiàn)。同時(shí)主驅(qū)逆變器的峰值功率配合高性能的主驅(qū)電機(jī)，也決定著車輛的整體性能。
主驅(qū)逆變器發(fā)展趨勢
車輛續(xù)航里程越來越長、性能越來越強(qiáng)已經(jīng)是今天新能源汽車的主要發(fā)展方向，比如今年500km以上的續(xù)航里程已經(jīng)成為了主流BEV（純電動車）的標(biāo)配；HEV（混合動力汽車）續(xù)航里程不少已經(jīng)超過1000km，甚至有部分BEV車型CLTC(中國輕型汽車行駛工況)續(xù)航里程也超過1000km。
當(dāng)然，提升續(xù)航里程，也可以通過提高電池包容量來實(shí)現(xiàn)。但目前電池能量密度受限于材料等因素，無法大幅提高，因此提高電池包容量的同時(shí)，不僅成本較高，還會大幅增加車輛重量，從而提高驅(qū)動能耗，即實(shí)際續(xù)航里程的增幅會小于電池容量增幅。
所以提升新能源汽車?yán)m(xù)航里程的關(guān)鍵，其實(shí)可以看成是電池包容量和驅(qū)動能耗之間的平衡，而目前在電池成本較高，能量密度提升較慢的情況下，優(yōu)化主驅(qū)逆變器的運(yùn)行效率就是重中之重。
而在性能方面，一方面是單電機(jī)的功率越來越高，主驅(qū)電機(jī)峰值功率可以超過300kW；另一方面是驅(qū)動電機(jī)數(shù)量的提升，繼雙電機(jī)和三電機(jī)之后，今年還出現(xiàn)了數(shù)款四電機(jī)車型，這對于電機(jī)以及配套的逆變器等設(shè)備的功率密度要求將會更高。
縱觀近年來主驅(qū)逆變器的發(fā)展情況，首先是新能源汽車?yán)m(xù)航里程的需求下，更高效率的主驅(qū)逆變器就成為了主流需求；
其次是進(jìn)入電動汽車時(shí)代，電機(jī)功率越來越大，與此同時(shí)主驅(qū)逆變器要支持的峰值功率也更大，在車輛有限空間內(nèi)，需要更高功率密度的主驅(qū)逆變器；
另外，在新能源汽車市場不斷擴(kuò)張的過程中，需要持續(xù)降低整車成本，作為車輛核心部件之一的主驅(qū)逆變器，市場必然對其降本增效有更大的需求；
最后，在整體技術(shù)迭代速度較快的情況下，如何保證主驅(qū)逆變器整體工作的穩(wěn)定可靠，也是用戶最關(guān)注的點(diǎn)之一。
所以我們可以將主驅(qū)逆變器的發(fā)展趨勢，簡單總結(jié)成四點(diǎn)：更高效率、更高功率密度、安全可靠、低成本。
但要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)并不簡單，要提高主驅(qū)逆變器的轉(zhuǎn)換效率，從器件、芯片到驅(qū)動電路設(shè)計(jì)再到散熱設(shè)計(jì)，都需要進(jìn)行多方面的優(yōu)化。比如采用更低損耗的功率器件、柵極驅(qū)動IC，或增強(qiáng)功率模塊的散熱性能。
從IGBT到SiC，從400V到800V平臺，
技術(shù)方案不斷演進(jìn)
在主驅(qū)逆變器中，由于成本優(yōu)勢，目前主流的解決方案是基于硅基IGBT。隨著SiC的廣泛應(yīng)用，主驅(qū)電壓等級也正在從如今的400V往800V加速發(fā)展。
在技術(shù)更替的背后，實(shí)際上正是為了滿足高效、高功率密度等的需求。相比于硅基IGBT，SiC MOSFET在器件關(guān)斷時(shí)拖尾電流較小，器件的開關(guān)損耗也會較�。煌瑫r(shí)電動汽車在日常低負(fù)載工況下，主驅(qū)逆變器所需輸出的電流大小遠(yuǎn)低于額定電流值，而SiC MOSFET在中低電流下的導(dǎo)通損耗相比IGBT要低得多，在整體系統(tǒng)中具有顯著的效率提升。
功率密度方面，SiC MOSFET可工作于更高的開關(guān)頻率，損耗更低，因此對散熱要求較低，可有效減小驅(qū)動部件以及水冷部件的重量及體積；同時(shí)高開關(guān)頻率也降低了無源器件的尺寸和成本，因此SiC主驅(qū)逆變器在相同功率下，體積能夠大幅下降。
不過在800V平臺下，由于電壓翻倍，主驅(qū)逆變器中除了IGBT、SiC MOSFET等需要普遍升級耐壓值至1200V外，還有多種器件，包括MCU、柵極驅(qū)動器、電流傳感器等要求具備更高的性能。
綜合來看，如今的新能源車型包括BEV、HEV和PHEV等，其采用的牽引逆變器方案豐富多樣，比如有出于成本考量，在雙電機(jī)車型中選擇在主驅(qū)逆變器采用SiC，輔驅(qū)逆變器采用硅基IGBT的方案；電機(jī)布局上有前后雙電機(jī)、后二前一、后置單電機(jī)、前置單電機(jī)等；而HEV以及PHEV目前的驅(qū)動方案更是百花齊放，比如發(fā)動機(jī)串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)、增程等，根據(jù)電機(jī)分布，以及發(fā)動機(jī)是否有直驅(qū)部分等延伸出多種驅(qū)動方案。
因此，在驅(qū)動方案多樣的情況下，能夠?yàn)椴煌桨柑峁┩陚涞男酒x型以及牽引逆變器解決方案的芯片廠商，對Tier1和主機(jī)廠而言就十分重要了。
英飛凌一站式牽引逆變器解決方案
作為全球汽車芯片巨頭，英飛凌推出的產(chǎn)品幾乎覆蓋汽車牽引逆變器上所有的組件，并提供一站式的應(yīng)用解決方案。據(jù)了解，英飛凌提供包括AURIXTM MCU、EiceDRIVERTM無磁芯隔離驅(qū)動芯片、OPTIREGTM PMIC、XENSIVTM電流傳感器、IGBT/SiC單管和模塊在內(nèi)的主驅(qū)逆變器核心部件，應(yīng)用范圍覆蓋混合動力汽車、電動汽車的多種需求。
在主驅(qū)逆變器中，MCU可以看作是系統(tǒng)的大腦。MCU在逆變器中負(fù)責(zé)執(zhí)行駕駛員的操作指令，通過電流傳感器等信號確定電機(jī)工作狀態(tài)，使用FOC算法向柵極驅(qū)動器發(fā)送控制脈沖PWM，而MCU則繼續(xù)根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)確定電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。
汽車應(yīng)用中，用戶最看重的無疑是安全可靠。英飛凌AURIXTM 系列MCU為主驅(qū)逆變器提供多達(dá)六核的高性能架構(gòu)，支持最高ASIL-D的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)英飛凌OPTIREGTM PMIC可以搭配AURIXTM 系列MCU，為主驅(qū)逆變器MCU以及外圍電流傳感器等芯片供電的同時(shí)，對MCU、系統(tǒng)工作狀況等進(jìn)行監(jiān)測，作為最后一道安全屏障。
EiceDRIVERTM無磁芯隔離驅(qū)動芯片用于驅(qū)動IGBT、SiC MOSFET等功率器件和模塊，主要作用是放大MCU的邏輯信號，實(shí)現(xiàn)對功率器件的快速關(guān)斷與導(dǎo)通。而隔離驅(qū)動芯片顧名思義，是在驅(qū)動功率器件的同時(shí)，集成了電氣隔離的功能，將功率器件的高壓與MCU的低壓電路進(jìn)行電氣隔離，保障系統(tǒng)安全。在主驅(qū)逆變器中采用EiceDRIVERTM 驅(qū)動芯片，能夠減少額外的器件使用，降低系統(tǒng)成本，同時(shí)與英飛凌功率器件有很強(qiáng)兼容性，使用便利性、運(yùn)行穩(wěn)定性有保障。
功率器件方面，英飛凌提供了多種適配不同應(yīng)用的產(chǎn)品，比如Hybrid PACKTM 和EasyPACKTM IGBT模塊產(chǎn)品家族，電流等級支持50A到950A，支持從400V到1200V的電壓等級。其中HybridPACKTM系列主要面向混合動力汽車和電動汽車，拓展了IGBT模塊的功率區(qū)間。該系列產(chǎn)品提供基于6種不同封裝的多個(gè)版本，從而實(shí)現(xiàn)了電壓及功率等級拓展性的最大化。
EasyPACKTM則面向小功率的應(yīng)用，比如A0級、A00級微型純電動車以及混合動力汽車的中小功率逆變器上。盡管依然是采用硅基IGBT，但其基于EDT2芯片技術(shù)，在低負(fù)載下效率更高，相比上一代產(chǎn)品降低了20%的損耗，能夠顯著提升新能源汽車的續(xù)航里程。
高端應(yīng)用上，英飛凌目前已經(jīng)推出了基于IGBT和SiC器件的HybridPACKTM Drive G1&G2車規(guī)功率模塊。其中今年5月開始供貨的HybridPACKTM Drive G2提供750V和1200V 的電壓等級，并使用了基于英飛凌新一代芯片技術(shù)EDT3的IGBT，以及CoolSiCTM G2 MOSFET。
較強(qiáng)的柵極氧化可靠性及一流的開關(guān)和導(dǎo)通損耗，在高效率、高功率密度方面都有出色表現(xiàn)。
目前英飛凌的IGBT和CoolSiCTM MOSFET產(chǎn)品已經(jīng)在多款新能源汽車主驅(qū)逆變器上應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品無論是能效表現(xiàn)還是性能表現(xiàn)，都處于行業(yè)領(lǐng)先水平。
所以，對于新能源汽車而言，英飛凌的主驅(qū)逆變器解決方案在高能效方面，能夠?yàn)樾履茉雌噹砀L的續(xù)航里程；高功率密度帶來體積更小的主驅(qū)系統(tǒng)，能夠拓寬車內(nèi)空間；靈活的方案適配能夠幫助新能源汽車降低成本；而安全性、可靠性方面，更是英飛凌引以為傲的產(chǎn)品優(yōu)勢，在多款新能源汽車產(chǎn)品上應(yīng)用的優(yōu)秀反饋也證明了這點(diǎn)。
如今高速增長的新能源汽車市場，需要高效率、高功率密度、安全可靠、低成本的主驅(qū)逆變器，可以看到無論是器件技術(shù)還是方案的演進(jìn)，比如更高效的功率器件、更高集成度的驅(qū)動芯片、更高的平臺電壓、更多樣的驅(qū)動方案等，都圍繞著這四大方面發(fā)展。
對于未來仍有巨大發(fā)展空間的新能源汽車市場來說，主驅(qū)逆變器作為最核心的部件之一，也將跟隨市場發(fā)展而加速迭代升級的進(jìn)度。可以預(yù)見不久的將來，主驅(qū)逆變器領(lǐng)域還會涌現(xiàn)更多創(chuàng)新方案。
