作者：Faheem Zahid, Littelfuse產品營銷經理 Jose Padilla, Littelfuse產品管理高級總監

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具有優化的集電極-發射極飽和電壓（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

汽車行業正積極擁抱可持續發展，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%。據預測，這一數字在未來幾年還將加速增長。

盡管有所增長，但挑戰依然存在。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。這種更高的電壓架構可加快充電速度，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，因此可以實現更高的電流密度、更高的開關頻率并降低總體損耗。這些優點使系統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，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。

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、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，以實現高可靠性。

BEV的熱管理

傳統內燃機（ICE）汽車本身會產生大量的熱能浪費，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：

電動汽車電池調節

在寒冷環境條件下的車內空間加熱

在寒冷的環境溫度下，PTC加熱器和熱泵可用于調節電池以達到最佳性能，產生的熱量還可用于車內空間加熱。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，旨在降低車內人員和維修人員觸電的風險，同時防止潛在的火災危險。根據制造商的風險評估協議，這種應用通常被劃分為汽車安全完整性B級（ASIL-B）。

在800V BEV架構中，標稱電池電壓屬于B類電壓（60V 1500V）。根據ISO 6469-4安全規定，系統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，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），包括電池管理系統和車載充電器，以及電源和配電裝置等工業應用。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安全。如果沒有預充電電路，接觸器在閉合過程中可能會發生熔化，導致短暫電弧和潛在損壞。

其中一種預充電電路拓撲結構如圖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。起初，兩個大電流接觸器S1和S2都處于斷開狀態，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充電，因此不會產生明顯的浪涌電流。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具有優化的低集電極-發射極飽和電壓（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，如對車內空間加熱和電池調節至關重要的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。 量產時間為2025年。

性能和優勢

更高的擊穿電壓BVCES：1300V擊穿電壓專為800V BEV架構定制，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電池的充電狀態而波動，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。

結束語

隨著汽車行業向更高電壓架構的電動汽車轉變，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。