作者：Faheem Zahid, Littelfuse產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Jose Padilla, Littelfuse產(chǎn)品管理高級總監(jiān)

Littelfuse推出新型1300V A5A溝槽分立式IGBT，專為800V電動汽車（BEV）應用而設計。這些IGBT具有優(yōu)化的集電極-發(fā)射極飽和電壓（VCE(sat)）、強大的短路能力和更大的電流范圍。特別適用于PTC加熱器、放電電路和預充電系統(tǒng)等應用，這些應用的重點是更高的浪涌電流和低導通壓降，而不是高開關頻率。

背景

汽車行業(yè)正積極擁抱可持續(xù)發(fā)展，其中電動汽車（BEV）因其高效率和零尾氣排放而走在前列。2023年，BEV和插電式混合動力電動汽車（PHEV）的全球銷量達到1360萬輛，比2022年增長了31%。據(jù)預測，這一數(shù)字在未來幾年還將加速增長。

盡管有所增長，但挑戰(zhàn)依然存在。過高的成本、過長的充電時間和有限的行駛里程繼續(xù)阻礙著它的廣泛應用。為了解決這些問題，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，大大減少充電時間和成本。

硅技術并未消亡

自電動汽車（EV）大規(guī)模應用的最初幾年起，碳化硅（SiC）和其他寬帶隙（WBG）技術就被認為是各種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，因此可以實現(xiàn)更高的電流密度、更高的開關頻率并降低總體損耗。這些優(yōu)點使系統(tǒng)設計人員能夠提高效率、縮小體積和減輕重量，特別是在允許高開關頻率的應用中。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，但也有一些例外。

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

在需要低開關頻率的應用中，傳導損耗和熱設計的簡易性都是至關重要的因素。WBG器件固有的高功率密度會給熱管理帶來挑戰(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行熱管理。

電動汽車有復雜的電路，包括一些對半導體開關頻率要求不高的子系統(tǒng)。

應用

圖1展示了電動汽車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)、預充電電路和放電電路中的并不一定需要更高的開關頻率。相反，它們需要低傳導損耗、高浪涌電流能力半導體器件，以實現(xiàn)高可靠性。

BEV的熱管理

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

電動汽車（EV）有兩個與熱管理相關的重要要求：

電動汽車電池調(diào)節(jié)

在寒冷環(huán)境條件下的車內(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)電池以達到最佳性能，產(chǎn)生的熱量還可用于車內(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

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

放電電路

800V BEV系統(tǒng)中直流母線電容器的放電要求，高壓電池電動汽車的關鍵安全協(xié)議要求在兩種不同的運行情況下對直流母線電容器進行放電：

正常運行關閉

緊急情況，如碰撞后或嚴重故障檢測

這些放電機制是基本的安全功能，旨在降低車內(nèi)人員和維修人員觸電的風險，同時防止?jié)撛诘幕馂奈ｋU。根據(jù)制造商的風險評估協(xié)議，這種應用通常被劃分為汽車安全完整性B級（ASIL-B）。

在800V BEV架構(gòu)中，標稱電池電壓屬于B類電壓（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。具體來說，在碰撞后車輛停止后的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IGBT放電。需要時，打開IGBT，通過與IGBT串聯(lián)的Rdis電阻器對電容器中的所有能量進行放電。具有高浪涌電流能力的可靠IGBT對于這種應用非常重要。

預充電電路

預充電電路通常用于電動汽車（EV），包括電池管理系統(tǒng)和車載充電器，以及電源和配電裝置等工業(yè)應用。在電動汽車中，控制器不僅要處理高電容電氣元件，還要通過控制電機的功率流來確保電機平穩(wěn)高效地運行。預充電電路中的高壓正負接觸器可安全地連接和斷開電容器的電源，防止啟動時產(chǎn)生過大的浪涌電流。它們可確保充電受控，并在必要時通過隔離組件來維護系統(tǒng)安全。如果沒有預充電電路，接觸器在閉合過程中可能會發(fā)生熔化，導致短暫電弧和潛在損壞。

其中一種預充電電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 預充電電路

在上述電路中，有兩個大電流、高電壓接觸器S1和S2，以及一個單獨的預充電開關T1和一個直流鏈路電容器C1，它們與負載（如牽引逆變器）并聯(lián)。起初，兩個大電流接觸器S1和S2都處于斷開狀態(tài)，將高壓蓄電池與負載的兩個端子隔離。預充電開始時，開關T1（1300V A5A IGBT）與高壓負極接觸器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。預充電過程結(jié)束后，開關T1打開，高壓正極接觸器S2關閉。由于直流鏈路電容器在高壓正極和負極接觸器閉合之前已經(jīng)充電，因此不會產(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用。

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

圖5 Littelfuse的BDU演示板

Littelfuse提供1300V A5A溝槽式IGBT

為了滿足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。這些器件專為需要降低傳導損耗（Pcond）、良好熱性能和可靠性的應用而設計。該系列的A級IGBT具有優(yōu)化的低集電極-發(fā)射極飽和電壓（VCE(sat)），從而提高了低頻開關性能。這些IGBT具有高達10μsec的短路可靠性。這一特性尤其適用于關鍵的BEV系統(tǒng)，如對車內(nèi)空間加熱和電池調(diào)節(jié)至關重要的PTC加熱器。此外，這些IGBT還可用于預充電和放電電路。

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版本具有更強的爬電和電氣距離。 量產(chǎn)時間為2025年。

性能和優(yōu)勢

更高的擊穿電壓BVCES：1300V擊穿電壓專為800V BEV架構(gòu)定制，適用于乘用車和重型卡車。1300V額定電壓可為直流母線電壓提供緩沖，直流母線電壓會根據(jù)電池的充電狀態(tài)而波動，然而1200V額定電壓的器件可能會帶來應用風險。

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

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

短路能力tSC：1300V IGBT可處理長達10微秒的短路能力，因此適用于需要更高可靠性的汽車應用。

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）版本與標準3引腳版本相比，改善了爬電距離和電氣距離。

結(jié)束語

隨著汽車行業(yè)向更高電壓架構(gòu)的電動汽車轉(zhuǎn)變，硅IGBT對于要求較低開關頻率和最小傳導損耗的應用仍然至關重要。Littelfuse的1300V A級溝槽式IGBT系列可滿足800V BEV子系統(tǒng)的特殊需求，特別是在PTC加熱器、放電電路和預充電應用中。這些IGBT具有低VCE（飽和）、短路能力和寬電流范圍。同時提供SMD和插件封裝，具有更強的爬電和電氣距離，為設計提供了靈活性。