為您的下一代 800V 電動車牽引逆變器平台增添里程與使用年限
Article
為了實現零排放的未來，汽車產業必須徹底革新。內燃機（ICE）車輛的演進歷經數十年，才成為我們今日所熟悉與駕駛的樣貌。如今，我們期待電動車能提供與 ICE 車相同的舒適性、駕駛體驗、耐用性與安全性。因此，車廠必須迅速推出具差異化的新一代電動車型，並達到同等甚至更優的性能表現。這需要大膽的決策、嘗試新材料，並尋找擁有相同願景與渴望創新的合作夥伴。
圖 1：功率逆變器模組解析圖
為了支援汽車產業合作夥伴並加速電動化進程，NXP 與 Wolfspeed 攜手合作，推出一款經過完整測試的 800 V 牽引逆變器參考設計。該設計可以協助電動車系統工程師克服多項挑戰，包括選擇元件以提升系統效率、符合功能安全認證標準及確保長期可靠性。
這套電動車牽引逆變器參考設計是一套完整的系統解決方案，包含基於 Arm® Cortex®-M7 架構的 S32K39 微控制器、符合功能安全認證的 FS26 電源管理晶片，以及最新一代的高壓隔離式閘極驅動器 GD3162。為了完善整體系統，整合使用 Wolfspeed 的 1200 V 六管集成 YM 碳化矽功率模組。
Figure 2：基於 NXP 800 V EV-INVERTERGEN3 參考設計 與 Wolfspeed 碳化矽功率模組的 ECU 系統方塊圖
在 Wolfspeed 慕尼黑實驗室，這款電動車牽引逆變器參考設計已透過硬體，在迴路（HIL）測試平台進行聯合測試。在 800 V 電池條件下，其峰值功率表現超過 300 千瓦。
圖 3：實驗室中 HIL 環境的測試結果
為極致效率而設計：動態 柵極驅動強度可靈活應對不同功率需求
實驗室模擬顯示，得益於 NXP 高壓柵極驅動器的獨特功能，系統效率可提升約 1%。這項功能讓設計工程師能根據即時運作條件，動態調整柵極驅動訊號的強度，從而在效率、開關速度與電磁相容性效能之間取得最佳平衡。根據部分 WLTP（全球輕型車測試程序）模型，這項技術相較於傳統電動車解決方案，最多可額外延長續航里程約 14 英里。
圖 4：效率提升結果
以功能安全為核心設計：不僅止於元件資料，更涵蓋系統層級的功能安全資料
在功能安全（FuSA）方面，符合標準的元件必須優先考量高品質與高可靠性。從設計、製造到文件與技術支援，每一個環節都體現了對安全的重視。符合最高風險等級 ASIL D 的元件，例如 NXP 的 S32K396 微控制器、FS2633 系統基礎晶片，以及 GD3162 高壓柵極驅動器，都已應用於電動車牽引逆變器的參考設計中。為了協助客戶更順利整合，一些功能安全相關文件也被提出，包括「系統安全概念」。說明從假設的安全目標出發，說明硬體與軟體層級的安全需求。
專為可靠性和長期耐用性而設計：YM 碳化矽功率模組
800V 牽引逆變器需要採用碳化矽解決方案。相較於傳統矽基 IGBT，碳化矽材料本質上更具可靠性與耐久性。Wolfspeed 掌握先機，將先進封裝技術整合到車規認證的 YM 封裝中，進一步提升系統的耐用性。
這款 1200 V 六管集成 YM 碳化矽功率模組採用直冷式銅針鰭底板設計，能將散熱鰭片直接浸入冷卻液中，不僅簡化系統組裝流程，還大幅提升散熱效能。模組內部使用氮化矽（Silicon Nitride）基板——這是一種具備優異熱衝擊與耐磨性的高強度陶瓷材料，可有效將晶圓產生的熱量迅速導出，降低系統運作溫度。另一項創新封裝技術是「燒結晶圓貼合」（Sintered Die Attach），這是一種先進的晶圓貼合方式，能在晶圓與氮化矽基板之間形成高導熱、高機械強度的連接，進一步提升模組的散熱效率與耐熱循環壽命。直冷銅針鰭與燒結貼合技術的結合，不僅強化了熱管理能力，也延長了系統的使用壽命。
YM 模組以銅製上側導電夾（Copper Clip）取代傳統的金屬線接合（Wire Bond），大幅提升模組的電流承載能力、功率循環壽命，並優化端子佈局，進一步降低封裝電感，減少電壓突波，實現極低的開關損耗。為降低潛在的機械故障風險，車規級 YM 模組採用硬質環氧樹脂封裝。相較於傳統的凝膠型封裝材料，環氧模塑化合物具備更優異的防潮性與結構強度。透過燒結晶圓貼合、銅夾接合與環氧封裝三項技術的結合，YM 模組的使用壽命可達到同級競品的 3 倍。
圖 5：Wolfspeed 的六管集成 YM 碳化矽功率模組
這些先進的封裝技術，使通過 AQG324 認證的 YM3 功率模組能夠在嚴苛的車用環境中穩定運作，展現出卓越的耐用性與一致的耐用性。
結論
NXP 與 Wolfspeed 聯手打造的 800 V 牽引逆變器參考設計，標誌著汽車產業邁向電動化的重要里程碑。此參考設計專為解決電動車開發中的關鍵挑戰而生，包括效率提升、功能安全（FuSA）強化，以及確保長期可靠性，讓電動車在性能上足以媲美甚至超越傳統內燃機車款。透過如動態柵極驅動調整與先進碳化矽功率模組等創新技術，這套參考設計成為致力於打造高品質、高效率與高安全性電動車的工程師不可或缺的工具，確保整車在整個生命週期中皆能穩定表現。