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新技术及半导体在新能源汽车系统中的构建与应用

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  • 更新日期:2021-11-03 10:37
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详细介绍
本文以轻度混合动力汽车 (MHEV)为例,对其在48V MHEV系统应用特征,包括对如何在48V MHEV中使用标准硅降压转换器MOSFET电路,包括汽车电力电子需要低EMI、并联MOSFET、辅助48V系统与48V电池、48V前端降压转换器等应用问题与新能源电动车热控制的电力驱动器与功率器件设计选择二大问题作研讨分析。

由于当今新能源电动汽车面临的挑战不少,由此在新能源电动汽车系统构建设计中引入新理念与新技术应运而生。尤其是随着器件设计技术和制造工艺的不断进步,宽禁带半导体器件必将逐步取代传统的半导体器件,从而在新能源汽车电力电子系统中获得广泛应用并成为新趋势。在值此仅以下述二个热门话题作研讨说明。

*如今面向电动汽车 (EV)、混合动力汽车和汽油车的电力电子市场持续增长。例典型的混合动力汽车 (HEV) 电源系统的电压要求从12V到800V不等,电流更是达到数百安培。由此硅 (Si) 和宽禁带半导体器件,如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件,正在吸引着人们的极大兴趣。

 而宽禁带半导体主要是指禁带宽度(导带最低点与价带最高点之间的能量差)大于2.2电子伏特的半导体材料。以GaN、SiC为代表的 宽禁带半导体材料具有高击穿电场强度、高截止频率、高热传导率、高结温和良好的热稳定性、强抗辐射能力等特点。与硅 (Si) 和砷化镓 (GaAs) 工艺相比,宽禁带SiC或GaN器件带来了更高的效率、开关频率、工作温度和工作电压,从而解决了功率转换问题。这是为什么宽禁带半导体器件必将逐步取代传统的半导体器件成为必然。

而当前,电动车的呈现通常就是全混合动力汽车 (FHEV)、插电式混合动力汽车 (PHEV) 和轻度混合动力汽车 (MHEV)这几种。

纵贯比较,普通汽车有600个MOSFET,高端汽车有100个MOSFET,而48V轻混汽车有400个MOSFET。而硅MOSFET器件解决了高电压和成本问题。在解决了过电压不平衡问题后,串联配置的低电压功率半导体器件打造出了有效的功率转换系统解决方案,又解决了成本和效率问题。特别是48V的电池系统能够承受高输入电压的负载突降瞬变,同时以低电磁干扰 (EMI)、低占空比和高效率运行。

 *从节能与能效的角度,则新能源电动车的热管理又是一个热门话题。这是因电池能量密度没有汽油高,对工作环境温度有要求,需要系统尽量优化。而新能源车的热相关部件可分成三个部位,分别是电机与功率电子器件,动力电池,以及座舱,这些部件既有发热需求,又有制冷需求。如果以每100公里需要24度电计算,大概将近20%的热量用在热耗散上。以每年跑16000公里预估,10年将近7680度电用在热消耗上,换算下来浪费将近一万五到两万元人民币。因此,应从热系统管理在整个系统层面上去找到成本平衡为出发点,来思考系统方案设计以及未来策略的定义。

据此,本文将以轻度混合动力汽车 (MHEV)为例,对其在48V MHEV系统应用特征,包括对如何在48V MHEV中使用标准硅降压转换器MOSFET电路,包括汽车电力电子需要低EMI、并联MOSFET、辅助48V系统与48V电池、48V前端降压转换器等应用问题与新能源电动车热控制的电力驱动器与功率器件设计选择二大问题作研讨分析。

 

 

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