作者：Vincent Lagardelle

為實(shí)現(xiàn)零排放的未來(lái)，汽車行業(yè)迫切需要重塑。汽車制造商必須加速推出差異化的電動(dòng)車型。恩智浦?jǐn)y手Wolfspeed，共同推出一款經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證的800V牽引逆變器參考設(shè)計(jì)，有效幫助電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)師克服諸多技術(shù)障礙。

功率逆變器模塊解析

為支持汽車合作伙伴并加速汽車電氣化進(jìn)程，恩智浦與Wolfspeed聯(lián)合推出了一款經(jīng)過(guò)全面驗(yàn)證的800V牽引逆變器參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)幫助電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)師有效克服多重挑戰(zhàn)，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，集成了基于Arm® Cortex®-M7的S32K39 MCU、電源管理符合功能安全的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。為完善該系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中還包含Wolfspeed的1200V六組YM SiC功率模塊。

該參考設(shè)計(jì)專注于解決電動(dòng)汽車的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。深入了解800V牽引逆變器參考設(shè)計(jì)，掌握其所有細(xì)節(jié)。

基于恩智浦800V EV-INVERTERGEN3參考設(shè)計(jì)和Wolfspeed SiC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)裝置進(jìn)行了聯(lián)合測(cè)試。在800V電池的工作條件下，其峰值功率超過(guò)了300kw。

實(shí)驗(yàn)室HIL設(shè)置的測(cè)試結(jié)果

高效設(shè)計(jì)：動(dòng)態(tài)柵極強(qiáng)度可滿足不同的功率需求

實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果顯示，得益于恩智浦高壓柵極驅(qū)動(dòng)器的專有功能，整體效率提升了約1%。該功能允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況動(dòng)態(tài)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度，從而在效率、開關(guān)速度和電磁兼容性之間實(shí)現(xiàn)平衡。根據(jù)全球統(tǒng)一輕型汽車測(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)航里程增加約14英里。

能效提升結(jié)果

設(shè)計(jì)時(shí)考慮功能安全：超越設(shè)備資料，系統(tǒng)功能安全資料

在功能安全(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，采用了符合高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)ASIL D的關(guān)鍵組件，包括恩智浦的S32K396 MCU、FS2633系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片及GD3162高壓柵極驅(qū)動(dòng)器。為進(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。

打造可靠且長(zhǎng)久耐用的卓越設(shè)計(jì)

800V牽引逆變器的實(shí)現(xiàn)需要碳化硅解決方案。相比傳統(tǒng)的硅IGBT，SiC材料本質(zhì)上更加可靠且耐用。Wolfspeed敏銳地抓住機(jī)會(huì)，將先進(jìn)的封裝技術(shù)融入其車規(guī)級(jí)YM封裝中，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)的耐用性。

1200V六組YM SiC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)固的陶瓷材料具備卓越的抗熱沖擊性和耐磨性，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)新的封裝特點(diǎn)是燒結(jié)芯片粘接技術(shù)。這種先進(jìn)的芯片粘接方法在芯片與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)與燒結(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)銅頂側(cè)夾代替?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)了超低開關(guān)損耗。為降低潛在的機(jī)械故障風(fēng)險(xiǎn)，車規(guī)級(jí)YM模塊采用硬質(zhì)環(huán)氧樹脂封裝。與凝膠基封裝相比，環(huán)氧樹脂模塑料不僅提供了卓越的防潮性能，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。

Wolfspeed的六組YM-SiC功率模塊

這些先進(jìn)的封裝技術(shù)為AQG324認(rèn)證的YM3功率模塊提供了保障，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。

恩智浦的產(chǎn)品

恩智浦?jǐn)y手Wolfspeed打造的800V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)，包括提升能效、功能安全和長(zhǎng)期可靠性，確保電動(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)。

作者：

Vincent Lagardelle

恩智浦半導(dǎo)體電氣化系統(tǒng)市場(chǎng)經(jīng)理

Vincent Lagardelle現(xiàn)任恩智浦汽車電氣化系統(tǒng)市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理，覆蓋從電動(dòng)汽車牽引逆變器系統(tǒng)到電動(dòng)汽車架構(gòu)的廣泛領(lǐng)域。他在汽車半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過(guò)20年的豐富經(jīng)驗(yàn)，曾擔(dān)任過(guò)產(chǎn)品工程、技術(shù)營(yíng)銷以及業(yè)務(wù)拓展等多個(gè)職務(wù)。他畢業(yè)于圖盧茲INSA電子工程專業(yè)，并在圖盧茲商學(xué)院獲得戰(zhàn)略管理MBA學(xué)位。