0 引言

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》明確了汽車技術(shù)“低碳化?信息化?智能”化發(fā)展方向?預(yù)計到2035年,節(jié)能與新能源汽車銷售暈占比達到50%?

隨著電動汽車的快速發(fā)展與普及,對加速性能和續(xù)航里程的要求不斷提升?加速性能主要受限于電驅(qū)動單元的功率,續(xù)航里程則主要受限于動力電池的能鼠密度及電驅(qū)動單元效率?在短期內(nèi)電池能量密度無法進一步突破,因此,尋找一種高功率密度?高效率的電驅(qū)動單元來滿足整車需求尤為重要?

電驅(qū)動單元作為電動汽車的核心動力部件之一,其發(fā)展趨勢是高集成?高功率?高效,率即將電機控制器?驅(qū)動電機與減速器進行“三合一“集成?基于對高功率密度與高效率的需求,本文開發(fā)了一款純電動汽車用電驅(qū)動單元,對該電驅(qū)動單元從功率器件選型到整休系統(tǒng)方案加以闡述?分別進行了SiC基和Si基電驅(qū)動單元的臺架測試,結(jié)果表明SiC基電驅(qū)動單元可顯著提升系統(tǒng)輸出功率和效率?

1.SiC功率器件

1-1. SiC材料特性

寬禁帶半導(dǎo)體材料是繼以Si和GaAs為代表的第一代第二代半導(dǎo)體材料之后,迅速發(fā)展起來的第三代新型半導(dǎo)體材料?SiC作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體典型代表之一,具備高禁帶寬度?高擊穿場強?高電子飽和漂移速度?高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢,可有效突破傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體材料的物理極限?表1選取了典型的三代半導(dǎo)體材料并對比了其材料特性?

從表1可以看出SiC的禁帶寬度是Si的3倍,擊穿電場是Si的10倍,電子飽和漂移速度是Si的2倍,熱導(dǎo)率是Si的3倍?車用電力電子功率器件應(yīng)用SiC材料,可以帶來更高的器件耐電壓更低的導(dǎo)通電阻?更高的開關(guān)頻率?更低的的結(jié)殼熱阻,非常契合車用電驅(qū)動單元高功率密度和高效率的技術(shù)要求?

1-2. SiCMOSFET

隨著技術(shù)進步,影響SiC MOSFET溝道電阻的技術(shù)難題正逐漸被攻克?以Wolfspeed公司為代表的水平溝道結(jié)構(gòu)和Rohm公司為代表的垂直溝通結(jié)構(gòu)均在減小導(dǎo)通電阻方面做了很多優(yōu)化工作?圖1展示了在相同功率等級下全Si模塊?Si/SiC混合模塊和全S化模塊的損耗對比?由圖l可知,SiC肖特基勢壘二極管(SBD)優(yōu)異的反向恢復(fù)特性減小了功率開關(guān)器件的開通電流應(yīng)力,顯著降低了開關(guān)損耗?采用混合SiC模塊代替全Si模塊,會使總損耗降低27%左右?使用全SiC模塊后,一方面大幅縮短了關(guān)斷時間,進一步降低了開關(guān)損耗;另一方面,SiC MOSFET低導(dǎo)通電阻也帶來了導(dǎo)通損耗的降低?全SiC模塊總損耗僅為全Si模塊的30%,有助千進一步提高電力電子裝置的效率和功率?

SiC MOSFET可有效降低損耗,但也存在柵極闕值電壓小?耐負壓能力弱?柵極寄生內(nèi)阻大的缺點,高頻應(yīng)用存在電磁干擾(EMI)問題,這些都是目前行業(yè)面臨的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)?此外,SiC晶錠生長速度慢,襯底技術(shù)門檻高,供應(yīng)商較少,造成了原材料價格高?由千SiC材料硬度高,芯片外延?柵氧切割和檢測難度大,導(dǎo)致芯片良率較低?高昂的原材料價格和較低的芯片良率也是目前市場無法大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸?

2.SiC基皂驅(qū)動單元設(shè)計

2-1. 系統(tǒng)整體方案

本文所述電驅(qū)動單元由電機控制器?驅(qū)動電機及減速器三部分組成,為“三合一“集成設(shè)計?其爆炸示意圖如圖2所示?

該方案齒軸采用平行軸同軸布置,結(jié)構(gòu)緊湊,驅(qū)動電機繞組采用發(fā)卡扁線設(shè)計,提升功率密度,電機控制器采用800V高電壓平臺設(shè)計,同時在相同外包絡(luò)條件下,兼容SiC化基與Si基功率模塊?800V高電壓平臺的設(shè)計不僅能夠充分發(fā)揮SiC自身材料的耐高壓特性,同時也適配超級快充的需求?

SiC基電驅(qū)動單元主要參數(shù)如表2所示?

2-2. SiC基電機控制器

2-2-1. 功率模塊選型

功率模塊作為電機控制器的最關(guān)鍵器件,直接決定整體系統(tǒng)方案?其器件的選型主要考慮技術(shù)參數(shù)與封裝形式?其中技術(shù)參數(shù)與母線電壓平臺?峰值電流輸出能力?反電動勢等相關(guān);封裝形式主要考慮電驅(qū)動單元的尺寸要求及冷卻需求?經(jīng)分析并考慮與Si基功率模塊的可互換性,選用英飛凌SiC MOSFET FS03MR12A6MAlB,該模塊集成三相全橋拓撲,耐壓值1200V,電流輸出可達400A(有效值),自帶散熱針翅,損耗低,頻率高,易千平臺化設(shè)計?功率模塊封裝示意圖如圖3所示?

2-2-2. SiC基電機控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機控制器的結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖4所示,主要包括電路板?SiC功率模塊?冷卻結(jié)構(gòu)?母線電容?電流傳感器?濾波組件及殼體等?其中控制板與驅(qū)動板一體化設(shè)計,提高體積利用率并節(jié)省接插件和線束,冷卻結(jié)構(gòu)可兼容SiC基和Si基功率模塊,整體倒扣的方案可充分利用空間,提升電驅(qū)動單元的體積利用率?

2-2-3. SiC基驅(qū)動電路系統(tǒng)設(shè)計

SiC MOSFET與Si IGBT應(yīng)用最顯著的差異為其驅(qū)動電路不同,SiC MOSFET短路保護響應(yīng)的要求更快,電壓平臺從400V提升到800V也對系統(tǒng)提出了更高的電氣間隙和爬電距離要求?本文SiC驅(qū)動電路設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示,包括驅(qū)動板接口?驅(qū)動芯片配置電路?驅(qū)動芯片保護電路?驅(qū)動電源供電電路以及模擬信號采集電路?

驅(qū)動板接口部分包含驅(qū)動信號輸入?故障信號輸出?驅(qū)動相關(guān)數(shù)據(jù)輸入?驅(qū)動相關(guān)數(shù)據(jù)輸出?使能和復(fù)位信號?供電?功率模塊溫度采樣信號輸入毋線電壓信號輸入?絕緣信號輸入等?

驅(qū)動芯片原邊匹配與配置電路主要包含原邊驅(qū)動信號處理?供電信號處理?使能和復(fù)位信號處理?故障信號處理等?驅(qū)動芯片副邊驅(qū)動與保護電路主要包含棚極驅(qū)動電路?有源鉗位保護電路?門極鉗位保護電路?基千退飽和短路保護電路?米勒效應(yīng)保護電路等?本文設(shè)計采用英飛凌1EDI3031AS芯片?

驅(qū)動電源供電電路主要是將原邊12V供電轉(zhuǎn)換為副邊驅(qū)動電源,驅(qū)動電源選擇+15V和-4V,供SiC模塊開關(guān)同時預(yù)留高壓取電備份電源?

2-3. 驅(qū)動電機設(shè)計

本文以270kW永磁同步電機(PMSM)進行電磁方案分析?極槽配合方案為8極72槽,定子槽內(nèi)6層繞組,硅鋼片厚度為0.25mm,以降低電機鐵損?提升效率?轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用“雙V"結(jié)構(gòu),并考慮凸極比來提升磁阻轉(zhuǎn)矩輸出,同時轉(zhuǎn)子進行輔助槽設(shè)計來降低轉(zhuǎn)矩波動?驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)爆炸圖及電磁方案設(shè)計分別如圖6和圖7所示?

考慮到電壓平臺升級到800V,設(shè)計中采用高耐壓漆包線及絕緣紙,結(jié)合SiC MOSFET產(chǎn)生的過沖電壓,利用局部放電起始電壓(PDIV)作為電機絕緣系統(tǒng)的校核參數(shù),選用常溫下漆包線和絕緣紙PDIV::::=:1500V的設(shè)計來保證電機整體方案的耐壓性能?

3.電驅(qū)動單元臺架測試

根據(jù)所設(shè)計的電驅(qū)動單元進行臺架測試,驅(qū)動電機的峰值功率為270kW,峰值扭矩為315N·m?搭載的臺架實物圖如圖8所示?減速器作為機械傳動機構(gòu)其效率基本為穩(wěn)定值,因此本文臺架測試重點關(guān)注電機控制器及驅(qū)動電機二合一(即驅(qū)動電機系統(tǒng))的結(jié)果,暫不考慮減速器的影響?后文中的外特性及效率測試均為驅(qū)動電機系統(tǒng)的測試?

3-1. 外特性測試

為驗證所設(shè)計系統(tǒng)的峰值扭矩和峰值功率輸出能力,分別在500?600?700?800V下進行臺架外特性測試,其中臺架設(shè)置電機控制器為液冷,驅(qū)動電機為油冷,試驗時給定電機控制器的冷卻水溫為65"C,水流扯為10I/min,驅(qū)動電機的冷卻回油溫度為85"C?圖9給出了Si基和SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)的外特性曲線?

從測試結(jié)果可知,SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)的峰值輸出功率比Si基驅(qū)動電機系統(tǒng)的峰值輸出功率最大可提升70%?

3-2. 驅(qū)動電機系統(tǒng)效率測試

為驗證所設(shè)計電驅(qū)系統(tǒng)的效率,在800V下進行臺架效率測試,測試邊界條件與上述外特性測試條件保持一致?圖10為Si基和SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)效率,其中Si基系統(tǒng)峰值效率達95.8%,SiC基系統(tǒng)峰值效率達96.8%?

3-3. SiC基與Si基驅(qū)動電機系統(tǒng)效率測試對比

為驗證SiC與Si對測試的差異影響,本文在保持驅(qū)動電機和減速器設(shè)計不變的情況下,單獨更換SiC電機控制器與Si電機控制器,分別進行臺架效率測試?圖11為兩者效率差值的MAP?從圖11可知,SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)效率高于Si基驅(qū)動電機系統(tǒng),平均效率可提升2%~3%?

4.結(jié)語

本文通過分析SiC的材料特性的優(yōu)勢,開發(fā)了一種基千SiC的車用純電驅(qū)動單元,分別從整休方案?電機控制器方案?驅(qū)動電機方案闡述了各子系統(tǒng)設(shè)計,最終進行了臺架對比測試?測試結(jié)果表明SiC基電驅(qū)動單元效率比Si基電驅(qū)動單元效率平均可提升2%~3%,且在尺寸不變的情況下,SiC基電驅(qū)動單元的輸出功率可大幅提升?SiC基電驅(qū)動單元是未來高性能電動汽車的重要應(yīng)用和發(fā)展方向?

來源：閱芯電子科技

審核編輯：湯梓紅