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(jì)到2035年,節(jié)能與新能源汽車銷售暈占比達(dá)到50%?

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展與普及,對(duì)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(dòng)單元的功率,續(xù)航里程則主要受限于動(dòng)力電池的能鼠密度及電驅(qū)動(dòng)單元效率?在短期內(nèi)電池能量密度無(wú)法進(jìn)一步突破,因此,尋找一種高功率密度?高效率的電驅(qū)動(dòng)單元來(lái)滿足整車需求尤為重要?

電驅(qū)動(dòng)單元作為電動(dòng)汽車的核心動(dòng)力部件之一,其發(fā)展趨勢(shì)是高集成?高功率?高效,率即將電機(jī)控制器?驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器進(jìn)行“三合一“集成?基于對(duì)高功率密度與高效率的需求,本文開(kāi)發(fā)了一款純電動(dòng)汽車用電驅(qū)動(dòng)單元,對(duì)該電驅(qū)動(dòng)單元從功率器件選型到整休系統(tǒng)方案加以闡述?分別進(jìn)行了SiC基和Si基電驅(qū)動(dòng)單元的臺(tái)架測(cè)試,結(jié)果表明SiC基電驅(qū)動(dòng)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(lái)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(chǎng)強(qiáng)?高電子飽和漂移速度?高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì),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(duì)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(chǎng)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(lái)更高的器件耐電壓更低的導(dǎo)通電阻?更高的開(kāi)關(guān)頻率?更低的的結(jié)殼熱阻,非常契合車用電驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(jí)下全Si模塊?Si/SiC混合模塊和全S化模塊的損耗對(duì)比?由圖l可知,SiC肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)優(yōu)異的反向恢復(fù)特性減小了功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通電流應(yīng)力,顯著降低了開(kāi)關(guān)損耗?采用混合SiC模塊代替全Si模塊,會(huì)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(shí)間,進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)損耗;另一方面,SiC MOSFET低導(dǎo)通電阻也帶來(lái)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(jìn)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(fù)壓能力弱?柵極寄生內(nèi)阻大的缺點(diǎn),高頻應(yīng)用存在電磁干擾(EMI)問(wèn)題,這些都是目前行業(yè)面臨的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)?此外,SiC晶錠生長(zhǎng)速度慢,襯底技術(shù)門檻高,供應(yīng)商較少,造成了原材料價(jià)格高?由千SiC材料硬度高,芯片外延?柵氧切割和檢測(cè)難度大,導(dǎo)致芯片良率較低?高昂的原材料價(jià)格和較低的芯片良率也是目前市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸?

2.SiC基皂驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

2-1. 系統(tǒng)整體方案

本文所述電驅(qū)動(dòng)單元由電機(jī)控制器?驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器三部分組成,為“三合一“集成設(shè)計(jì)?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(dòng)電機(jī)繞組采用發(fā)卡扁線設(shè)計(jì),提升功率密度,電機(jī)控制器采用800V高電壓平臺(tái)設(shè)計(jì),同時(shí)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(tái)的設(shè)計(jì)不僅能夠充分發(fā)揮SiC自身材料的耐高壓特性,同時(shí)也適配超級(jí)快充的需求?

SiC基電驅(qū)動(dòng)單元主要參數(shù)如表2所示?

2-2. SiC基電機(jī)控制器

2-2-1. 功率模塊選型

功率模塊作為電機(jī)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(tái)?峰值電流輸出能力?反電動(dòng)勢(shì)等相關(guān);封裝形式主要考慮電驅(qū)動(dòng)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?fù)?耐壓值1200V,電流輸出可達(dá)400A(有效值),自帶散熱針翅,損耗低,頻率高,易千平臺(tái)化設(shè)計(jì)?功率模塊封裝示意圖如圖3所示?

2-2-2. SiC基電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)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(dòng)板一體化設(shè)計(jì),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(dòng)單元的體積利用率?

2-2-3. SiC基驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SiC MOSFET與Si IGBT應(yīng)用最顯著的差異為其驅(qū)動(dòng)電路不同,SiC MOSFET短路保護(hù)響應(yīng)的要求更快,電壓平臺(tái)從400V提升到800V也對(duì)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(dòng)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示,包括驅(qū)動(dòng)板接口?驅(qū)動(dòng)芯片配置電路?驅(qū)動(dòng)芯片保護(hù)電路?驅(qū)動(dòng)電源供電電路以及模擬信號(hào)采集電路?

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

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

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

2-3. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)

本文以270kW永磁同步電機(jī)(PMSM)進(jìn)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(jī)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(lái)提升磁阻轉(zhuǎn)矩輸出,同時(shí)轉(zhuǎn)子進(jìn)行輔助槽設(shè)計(jì)來(lái)降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)爆炸圖及電磁方案設(shè)計(jì)分別如圖6和圖7所示?

考慮到電壓平臺(tái)升級(jí)到800V,設(shè)計(jì)中采用高耐壓漆包線及絕緣紙,結(jié)合SiC MOSFET產(chǎn)生的過(guò)沖電壓,利用局部放電起始電壓(PDIV)作為電機(jī)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(jì)來(lái)保證電機(jī)整體方案的耐壓性能?

3.電驅(qū)動(dòng)單元臺(tái)架測(cè)試

根據(jù)所設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率為270kW,峰值扭矩為315N·m?搭載的臺(tái)架實(shí)物圖如圖8所示?減速器作為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)其效率基本為穩(wěn)定值,因此本文臺(tái)架測(cè)試重點(diǎn)關(guān)注電機(jī)控制器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)二合一(即驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(cè)試均為驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試?

3-1. 外特性測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)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(jìn)行臺(tái)架外特性測(cè)試,其中臺(tái)架設(shè)置電機(jī)控制器為液冷,驅(qū)動(dòng)電機(jī)為油冷,試驗(yàn)時(shí)給定電機(jī)控制器的冷卻水溫為65"C,水流扯為10I/min,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻回油溫度為85"C?圖9給出了Si基和SiC基驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的外特性曲線?

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

3-2. 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率測(cè)試

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電驅(qū)系統(tǒng)的效率,在800V下進(jìn)行臺(tái)架效率測(cè)試,測(cè)試邊界條件與上述外特性測(cè)試條件保持一致?圖10為Si基和SiC基驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率,其中Si基系統(tǒng)峰值效率達(dá)95.8%,SiC基系統(tǒng)峰值效率達(dá)96.8%?

3-3. SiC基與Si基驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率測(cè)試對(duì)比

為驗(yàn)證SiC與Si對(duì)測(cè)試的差異影響,本文在保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器設(shè)計(jì)不變的情況下,單獨(dú)更換SiC電機(jī)控制器與Si電機(jī)控制器,分別進(jìn)行臺(tái)架效率測(cè)試?圖11為兩者效率差值的MAP?從圖11可知,SiC基驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)效率高于Si基驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),平均效率可提升2%~3%?

4.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析SiC的材料特性的優(yōu)勢(shì),開(kāi)發(fā)了一種基千SiC的車用純電驅(qū)動(dòng)單元,分別從整休方案?電機(jī)控制器方案?驅(qū)動(dòng)電機(jī)方案闡述了各子系統(tǒng)設(shè)計(jì),最終進(jìn)行了臺(tái)架對(duì)比測(cè)試?測(cè)試結(jié)果表明SiC基電驅(qū)動(dòng)單元效率比Si基電驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元的輸出功率可大幅提升?SiC基電驅(qū)動(dòng)單元是未來(lái)高性能電動(dòng)汽車的重要應(yīng)用和發(fā)展方向?

來(lái)源：閱芯電子科技

審核編輯：湯梓紅