下一代800 V电动汽车牵引逆变器参考设计：提高电动汽车的性能耐久性和续航里程
为了实现零排放的未来，汽车行业迫切需要重塑。我们今天所了解和驾驶的燃油车历经了数十年的演变发展。新型电动汽车的舒适度、驾驶体验、耐用期限和安全性应能够与燃油车相媲美。为此，汽车制造商必须加速推出性能相当甚至超越燃油车的新款差异化电动车型，这需要做出大胆决策、尝试新材料，并寻找拥有同样愿景和创新渴望的合作伙伴。
图 1：功率逆变器模块解剖构造
为了支持其汽车合作伙伴并加速汽车电气化进程，Wolfspeed与恩智浦(NXP)携手推出了一款经过全面测试的800 V牵引逆变器参考设计。该设计能够帮助电动汽车系统架构师有效克服诸多障碍，包括选择合适的组件以提升系统效率、符合功能安全认证标准，以及确保长期可靠性。
电动汽车牵引逆变器参考设计是一个完整的系统解决方案，包含基于Arm® Cortex®-M7的S32K39 MCU、电源管理符合功能安全标准的FS26系统基础芯片，以及最新一代高压隔离栅极驱动器GD3162。为了完善该系统，设计中还包含Wolfspeed 1200 V三相全桥YM碳化硅功率模块。
图 2：基于恩智浦 (NXP) 800 V EV -INVERTERGEN3 参考设计和 Wolfspeed 碳化硅功率模块的完整 ECU 解决方案
该电动汽车牵引逆变器参考设计已在Wolfspeed慕尼黑实验室通过硬件在环(HIL)设置进行了联合测试。在800 V电池工作条件下，其峰值功率超过了300 kW。
图 3：实验室 HIL 设置的测试结果
为最大限度提升效率而设计：动态栅极强度满足不同的功率需求
实验室仿真结果显示，得益于恩智浦(NXP)高压栅极驱动器的专用功能，最高效率提升近1%。该功能使设计人员能够根据实时运行条件动态调整栅极驱动信号强度，从而在效率、开关速度和电磁性能之间实现平衡。根据全球统一轻型车辆测试程序(WLTP)的一些模型，与传统电动汽车解决方案相比，该设计有望将续航里程增加14英里（近22.5公里）。
图 4：效率提升增益曲线
全面的功能安全设计理念：确保从器件到系统级功能安全
在FuSA方面，合规组件的设计始终以高质量和高可靠性为优先原则。安全性贯穿于设计、制造、文档编制以及技术支持的每一个环节。在电动汽车牵引逆变器参考设计中，采用了符合最高风险等级ASIL D的组件，包括恩智浦(NXP)的S32K396 MCU、FS2633 系统基础芯片及GD3162 高压栅极驱动器。为了进一步简化客户集成流程，设计还提供了一些FuSa文档，例如系统安全概念，详细阐释了从假设安全目标到硬件和软件级别的安全要求。
为实现可靠性和长久耐用性而设计：YM碳化硅功率模块
针对800 V牵引逆变器而设计的碳化硅解决方案。相比传统的硅IGBT，碳化硅材料本质上更可靠、更耐用。Wolfspeed YM系列车规模块以先进封装技术为支撑，将为系统的长期可靠性注入新的选择。
1200 V三相全桥YM系列碳化硅功率模块采用直接冷却的铜针翅基板设计，通过将针翅直接浸入冷却剂中，不仅简化了系统组装，还显著提升了热性能。此外，模块使用氮化硅基板，这种坚固的陶瓷材料具有卓越的抗热冲击和耐磨性，有效地将芯片产生的热量快速散发，从而降低系统工作温度。另一个创新的封装特性是烧结芯片粘接技术。这种先进的芯片粘合方法在芯片和氮化硅基板之间建立了牢固的结合，从而确保出色的导热性和机械耐久性，支持更高的功率输出并提供优异的热循环性能。直接冷却铜针翅技术和烧结芯片粘接技术共同提高了热性能和系统使用寿命。
YM模块通过铜夹片代替传统的焊线，大幅提升了模块的载流能力与功率循环寿命。同时，其优化的端子布局有效降低了封装电感，减少电压过冲，实现了超低开关损耗。为了降低潜在的机械故障风险，车规级YM模块采用硬质环氧树脂封装。与凝胶基封装相比，环氧树脂模塑料不仅提供了优异的防潮性能，还具备更强的结构完整性。通过将烧结芯片粘接、铜夹和环氧树脂模塑料相结合，与同类竞争产品相比，模块使用寿命得以延长至3倍。
图 5：Wolfspeed 三相全桥 YM 系列碳化硅功率模块
先进的封装技术为车规级的YM3功率模块提供了强有力保障，能够有效应对在严苛汽车环境中运行的挑战。这一设计确保了性能的一致性，还赋予了模块卓越的耐用性。
结论
Wolfspeed与恩智浦(NXP)携手打造的800 V牵引逆变器参考设计，标志着汽车行业向电动化迈出的重要一步。该参考设计解决了电动汽车设计人员面临的关键挑战，包括提升效率、功能安全和长期可靠性，确保了电动汽车的性能可与燃油车相媲美甚至超越燃油车。凭借动态栅极强度调节技术和先进的碳化硅功率模块，这款参考设计成为电动汽车设计人员的重要工具，助力打造高质量、高能效、安全的电动车型，同时确保其在整个生命周期内保持卓越的性能表现。
