现在各种电气化车辆上都会有一个必不可少的部件，叫PCU，也叫动力控制单元，它主要的组成部分包括三个，一个是逆变器（inverter），一个直流转换器（DC-DCconverter），再加上一个升压转换器（boostconverter）。这三个部件的作用也很明确，升压转换器先把电池的电提升电压，比如特斯拉model3的电池组供电为V，经过升压之后达到V，然后经过逆变器，逆变器将电池的直流电转换成交流电，交流电给驱动电机供电，这样车辆行进。而直流转换器则是为了给车上的12V车载设备供电，以及给12V蓄电池供电。

在现在主流的PCU方向里面，逆变器和升压转换器都是集成在一起的。目前主流车厂仍然使用IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件，但是像特斯拉这样的厂家已经在model3车型上开始使用SiCMOSFET（碳化硅功率场效应晶体管）。这篇文字就是要介绍从IGBT转向SiC的意义。

首先我们聊一下在IGBT器件的时代，到底PCU里的升压逆变器达到了什么样的水平。

首先IGBT器件也不是一成不变的，目前可追溯的年的第三代丰田普锐斯上面的那一套PCU，就能达到如下图的效率。

L这幅图是第三代普锐斯的逆变器效率图，其中已经包含了升压的过程。可以看到当电机转速在转左右到转，电机输出扭矩在20到牛米的一个窄小区间内，逆变器效率可以在99%，而到了外圈部分，逆变器效率越来越低，最低的电机转速转左右的地方，效率只有86%。

而恰好电机转速低的地方也就是城市里车辆慢速蠕动的时候。86%的效率还是损失了不少能量的。

那么时间来到年，基于IGBT的逆变器的技术有了不小的发展，直接体现就是在BMW的i3车型上，这台逆变器相对之前的效率有了不小的提升。如下图所示。

从上图可以看到，在转速大约到转之间，逆变器的效率也能达到92%到95%。这一成果主要得益于WBG-basedinverter的技术。这一技术叫“high-voltage–widebandgap”，也叫基于高压宽禁带半导体的逆变器。

然而这一技术仍然是基于IGBT器件的。真正能再次将逆变器效率提升一个台阶的，则是基于SiCMOSFET，也就是前面说的碳化硅功率场效应晶体管，并做一系列的效率提升模拟。

包括使用二相调制方案减少器件的开关损失，相对之前的三相调制方案，能减少大约30%的损失。

然后使用MOSFET和二极管减少空转周期内的二极管导电损失，这个可以最多减少59.7%的导电损失。

那么这一系列的技术应用会带来多大的提升呢，美国能源部橡树岭国家实验室做了一个模拟计算，得到了如下的逆变器效率图。

可以看到，最大效率从原来的99%提升到了99.6%，而转以下的区间里，转左右的地方可以达到96%的效率，转左右可以达到94%的效率。相比之前的转附近效率92%，转附近效率85%。在低转区间提升的效率点数约为4到8个百分点。

也许有人觉得，逆变器效率已经这么高了，再提高这可怜的几个百分点有什么意义？

意义非常重要，它可以大幅降低工作过程中的发热，减少散热设施，从而将设备造的更加紧凑。

比如从85%到94%的效率提升，意味着发热的能量从15%降低到了6%，少了一大半。在转附近效率从97%提升到99%，意味着发热的能量从3%降低到了1%，少了三分之二的热量。

除了效率的提升，SiC的功率半导体在输出电压和功率密度上也大幅提升。本文前面提到，逆变器都是在升压变换器之后的，也就是电池的电会先经过升压之后，再进入逆变器了转换为交流电。那么使用SiC的升压变换器会大幅度提升功率密度和输出电压。

同样是业界的咨询报告也表达了这一观点，下面这个截图来自法国的yoledevelopment，一家专注于半导体器件的咨询公司。

正是因为功率密度的提升以及发热的减少，所以使用SiC的电动车或者混动车的PCU部件体积可以大幅缩小。以下面这幅电装的技术展望为例，如果全面使用SiC器件，整个PCU的体积将会减少80%。

除了美国能源部对SiCMOSFET看好之外，业界的厂家也非常积极的推进这一产品。这其中最起劲的就是德国的英飞凌Infinieon.

根据英飞凌自己出具的分析报告，碳化硅相对纯硅的IGBT，在半导体的开关损耗上大幅降低。

如下面的图所示，在turn-offloss，也就是关断损耗上，碳化硅器件的能量损耗只相当于纯硅IGBT的10分之一只有。在turn-onloss，也就是导通损耗上，能量损耗也只有大约一半左右。

那么，碳化硅这么好，它有没有问题呢？

其实问题是有的，最大的问题就是成本。

根据年的加州空气委员会雇佣Ricardo,MunroAssociates,ZM的一份报告，

如果使用SiC做逆变器，将会带来一系列的成本增加。

根据报告的分析，以丰田第四代普锐斯的直流变换器，升压变换器，以及逆变器为例，使用SiC会带来大约美元的物料成本的增加。

ToyotaPriusDC/DC,BoostConverter,MotorInverterCostWeightPotentialAnalysis

也许很多人不清楚增加美元意味着什么。那么我们就以普锐斯的整个PowerInverterModule模块的成本来算。下面的表格表示，如果第四代普锐斯年产20万辆，那么其整个PowerInverterModule成本其实只有美元。注意这里的PowerInverterModule是包含了上述的三个部分的，即直流转换器，升压转换器和逆变器。按照报告的说法：

TheToyotaPriusPowerInverterModuleprovidesthreedistinctfunctions.ProvidemotorcontrolswitchinghighvoltageDCtothreephaseAC(VehicleTractionMotorandVehicleMotorGenerator),converthighvoltagethreephaseACtohighvoltageDC(MotorGenerator),andconvertinglowvoltageDCtohighvoltageDC(BoostConversion)orhighvoltageDCtolowvoltageDC(BuckConversion;12-voltfortypicalvehicleelectricalarchitecture).

也就是说整个PIM模块其实成本只有的情况下，就要增加美元。对这个模块而言，成本的增加比例是很高的。

当然，这些工业化产品，真正实现大规模生产之后，成本很少是问题，除了需要采用稀有原材料的之外。

所以我们可以很容易的看到，将来的电驱动车辆会普及SiC器件，让电驱动车辆跑的更远。

原文题目：从IGBT到SIC，这些年电动车的动力升级都经历了什么？

作者：速度周刊大明

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