有效的监控和控制对于电气子系统的高效可靠运行至关重要。像Microchip这样的半导体供应商提供各种硬件和软件、嵌入式开发工具以及高效的碳化硅（SiC）电源解决方案，以促进电动汽车和电动汽车混合动力系统的创新。.
汽车子系统设计人员不断致力于开发创新解决方案，以延长电动汽车的续航里程并缩短充电时间。为了实现这些目标，他们已将硅基技术的尺寸、重量和能效推向了物理极限，并正在向碳化硅 (SiC) 解决方案转型以应对这些挑战。与硅相比，SiC 器件具有更低的连接电阻、更快的开关速度，并且能够在更高的结温下承受更高的电压和电流。SiC 的另一个关键优势是其更小的尺寸，这使其能够实现更高的功率密度——这对许多关键的电动汽车应用至关重要。毫不意外，根据 Omdia 的《2022 年中期预测报告》（按应用划分的 SiC 功率半导体），到 2030 年，宽禁带 (WBG) SiC 功率半导体的汽车市场预计将比目前的 10 亿美元增长 13 倍。
电动汽车电压（例如 800V）不断提高的趋势正在推动牵引逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器以及热泵和燃料电池压缩机的新型设计。高压碳化硅 (SiC) MOSFET 和高性能二极管非常适合电动汽车，尤其是在对可用性要求极高的商用和越野应用领域。
现有的 400V 传统车辆充电基础设施也需要适应新的 800V 车辆设计。对高电压日益增长的需求推动了车载 DC-DC 升压模块的研发，用于桥接电压轨。SiC
技术还可以作为固态断路器或电子保险丝中的开关元件，保护车辆的电气元件，并在故障演变成严重故障之前进行诊断。与机械解决方案相比，改进的诊断和配置选项可以减少维修停机时间和成本。
与此同时，市场对快速直流充电基础设施的需求也日益增长，以便快速为车辆充电。这对于需要尽可能长时间运行的商用车辆（从卡车和公共汽车到矿业和建筑设备）尤为重要。
固态断路器：
与传统电路保护方案相比，采用碳化硅 (SiC) 的固态断路器具有诸多优势。该技术可利用软件可配置的脱扣曲线（例如通过 LIN 接口）快速切换，在微秒级时间内切断电路——得益于其高压固态设计，速度比传统机械方法快 100 到 500 倍。E
-Fuse 可复位，无需更换物理熔断器，为频繁断路的电路提供可靠的长期解决方案。使用固态 E-Fuse 解决方案消除了使用机械触点切换高压直流电流时可能出现的电弧风险。Microchip
的 E-Fuse 技术演示器采用 700 V 和 1200 V mSiC™ MOSFET 开关，集成了电流检测、放大器、LIN 接口和带有独立于内核的外设的 8 位 PIC™ 微控制器，提供完整、高度集成的解决方案。所有组件均符合 AEC 汽车级标准。该设计实现了时间-电流特性 (TCC) 曲线，可帮助设计人员从传统的熔断器或接触器过渡，并具有高达 10 µs 的短路耐受时间和高达 30 A 的额定电流。
快速充电：
电动汽车、商用车和越野车都需要快速充电功能。轿车可以停放一夜充电，但公交车或工程机械需要全天候高效运行。这些车辆正在转向使用 800V 甚至 1000V 的电池组，以满足大型重载车辆所需的功率。
这些车载充电器设计需要更高的功率，而碳化硅 (SiC) 技术提供了一种理想的解决方案。标称电压为 1200V 甚至 1700V 的器件为开发人员提供了更大的设计灵活性。这可以转化为更高的车辆峰值性能、更少的冗余和更简单的组件制造。
与硅 IGBT 相比，SiC 更高的效率也意味着所需的散热器更小，从而减轻了车辆重量。
目前已推出一款基于 1200V 雪崩额定 mSiC MOSFET 和双 1200V mSiC 二极管的 30kW 隔离式 DC-DC 充电器技术演示样机。该设计具有超过98%的最高效率、650–750V的输入电压、150–600V的输出电压（最大电流50–60A）、140kHz的开关频率。印刷电路板设计经过优化，具有安全性、机械和电流应力耐受性以及抗噪声能力。
图 2 30 kW SiC DC-DC 转换器
此外，我们还提供基于碳化硅（SiC）器件的维也纳拓扑结构的30 kW三相功率因数校正（PFC）参考设计。PFC通常用于交流-直流转换，并将交流输入电流相对于交流输入电压的相移维持在明确的限值内，从而确保接近1的功率因数和低总谐波失真（THD）。
未来，需要将能量回馈到车辆电池。这种双向充电功能可以通过另一个采用图腾柱拓扑结构的11 kW SiC基PFC设计来演示。
直流-直流转换和PFC均可采用模块化方式组合。
图 3 参考设计 PFC Vienna 30 kW
高达 150 kW 的基础设施充电器的构建模块：
碳化硅也是充电基础设施的关键材料。更高的电压和电流，以及更小冷却元件带来的更高效率，使得充电器设计更加小型化。虽然对于夜间存放的商用车和越野车来说，充电器尺寸并非至关重要，但对于日益普及的双向家用直流充电器而言，尺寸却至关重要。
同样，3 级公共直流快速充电器绕过车辆的车载充电器 (OBC)，直接通过电动汽车的电池管理系统 (BMS) 为电池充电。绕过 OBC 可以显著提高充电速度，充电器输出功率范围从 50 kW 到 350 kW。
采用模块化设计意味着使用功率因数校正 (PFC) 前端进行交流-直流转换，通常从较高的交流电压（例如 480 V）开始，然后并联一系列隔离式直流-直流转换器模块为车辆供电。
这种设计方法允许开发一系列充电器，从基本模块开始，以满足车辆运营商的各种需求。随着车辆需求不断变化，对更高功率以实现更快充电的需求日益增长，充电基础设施可采用碳化硅（SiC）器件进行改造。这种方法已被应用于功率高达 150 kW 的快速充电系统，甚至更高性能的系统。
数字电源管理以及 SiC MOSFET 和二极管的组合应用，使得设计方案能够实现高效率、高系统集成度、高功率密度、先进的数字控制回路，并在各种直流快速充电应用中实现更灵活的电源拓扑结构。这些设计方案还可以与模拟器件、电源管理、无线和有线连接、能量测量、存储器、安全功能以及人机界面 (HMI) 等组件相结合，从而构建完整的 L3 直流快速充电系统。
结论：
宽禁带 (WBG) 解决方案（例如碳化硅）是电动汽车的基础，能够显著提高功率转换的效率、密度和可靠性。Microchip
的 mSiC™ 功率产品和解决方案可帮助设计人员轻松、快速、自信地采用碳化硅。
该系列产品涵盖芯片级、分立式和模块级碳化硅器件，工作电压范围从 700 V 到 3.3 kV。
此外，该全球产品组合还包括微处理器 (MPU)、微控制器 (MCU)、Wi-Fi®/蓝牙® 和测量芯片，以及用于充电桩应用的触摸屏图形用户界面。在车辆端，产品组合包括汽车数字信号控制器、车载网络组件和控制器等。
该综合解决方案还包括用于增强电机和开关模式下功率控制算法的软件包，以及用于功能安全的汽车软件栈和诊断库。
作者：Andreas von Hofen，Microchip Technology汽车产品集团市场经理
