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下一代新能源电机控制器开发——SiC逆变器

2018-06-26 09:21:00     来源:微电机世界网        

【大比特导读】目前电动汽车驱动逆变器绝大部分是基于传统Si(硅)器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块的设计,存在开关频率低、损耗大的缺点,制约了电动汽车驱动器功率密度的提高。

电机控制器

在电动汽车驱动控制器中,逆变器是实现能量交直流转化的关键部件,用于电机的驱动或制动时的能量回收。市场对于控制器的能量传输效率、功率密度、价格等方面的要求越来越高。而功率模块又是逆变器实现高传输效率、高功率密度的关键器件,目前电动汽车驱动逆变器绝大部分是基于传统Si(硅)器件IGBT(绝缘栅双极型晶体管)功率模块的设计,存在开关频率低、损耗大的缺点,制约了电动汽车驱动器功率密度的提高。

SiC(碳化硅)与Si器件相比存在三方面优势:更高的击穿电压强度;更低的损耗;更高的热导率。这些特性意味着SiC器件可以用在高电压、高开关频率、高功率密度的场合。随着SiC模块功率制造水平的提高,SiC将会是越来越适合电动汽车驱动器的半导体器件,采用SiC器件是实现电动汽车驱动器高功率密度的有效手段。目前,将SiC功率模块应用于电机驱动逆变器的研究越来越多,丰田汽车公司已经在混合动力车上应用了SiC功率模块。

与Si器件相比,使用SiC器件有很大的优势

效率高,提高整车行驶里程

由于Si IGBT的导通压降呈现二极管特性:即使导通电流很小,IGBT也有较大的初始导通压降。而SiC MOSFET的导通压降呈现电阻特性:其导通压降与导通电流成正比。Si IGBT和SiC MOSFET两种不同的导通压降特性决定了只有在电流非常大时,SiC MOSFET的导通损耗才会比Si IGBT高,而在大部分电流区间,SiC MOSFET的导通损耗要优于Si IGBT。在整车工况中,大部分均为小电流工况,而大扭矩工况在整车路谱中的占比很小。而随着SiC芯片技术的发展,未来SiC MOSFET的导通阻抗将全面优于Si IGBT。

 

逆变器的转换效率

因此,使用SiC器件后,逆变器的转换效率可以得到明显提升,从而对于相同的电池包,使用SiC器件可以有效提高整车的行驶里程。

 

SiC器件

体积小,功率密度高

由于SiC器件具有损耗低的特点,因此,与Si器件相比,SiC器件只需要更小的芯片面积就可以实现相同的输出功率。与此同时,SiC器件可以工作在高频,有利于减小功率器件周边无源器件的体积。联合电子开发的SiC逆变器,在相同的功率等级下,体积比已批产的Si逆变器降低一半以上。

 

SiC器件

开关频率高,优化系统噪声

目前Si逆变器的常用开关频率为5-10kHz,系统会产生5-20kHz的开关噪声,该噪声在人耳可以听到的频率范围内,易使人产生不舒适感。而使用SiC器件后,通过提高开关频率到40kHz,可以使得系统产生的开关噪声频率超过人耳可以听到的频率范围。与此同时,开关频率提升后有利于降低电流控制谐波,从而降低电磁噪声,提高整车的行驶体验。

但是目前使用SiC器件也存在很大的挑战

SiC器件的价格较高

由于目前SiC芯片的工艺不如Si成熟,主要为4英寸晶圆,材料的利用率不高,而Si芯片的晶圆已经发展到8寸甚至12寸。另一方面,市场上对SiC芯片的需求也还未起量,也从另一方面导致了SiC芯片的成本比较高。

SiC器件封装技术发展滞后

目前世界上很多主流功率器件供应商均对SiC芯片进行了研究与开发,但是相比之下,SiC器件的封装技术的发展滞后。与Si芯片相比,SiC芯片的耐温更高,其工作温度甚至可以超过200度,但是目前SiC模块所使用的封状技术还是沿用Si模块的设计,其可靠性和寿命均无法满足200度的工作要求。SiC芯片的应用条件受到限制。

驱动保护技术

与Si芯片相比,SiC芯片的短路耐受能力大大降低,因此,为了防止SiC器件在运用过程中发生短路失效,需要驱动电路具备更低的响应时间,这对SiC器件驱动电路的保护技术提出了很大的挑战。

热设计

由于单个SiC芯片的面积较小,因此,为了实现大功率输出,需要并联使用更多的芯片数目。如何对模块内部的芯片进行合理的layout设计以保证各芯片间的热平衡,以及对芯片的热点温度进行监控,是一个很大的挑战。

高开关速度带来的EMI和绝缘问题

与Si器件相比,SiC器件的开关速度可以得到显著提高,开关过程中的di/dt和dv/dt均得以提高,虽然这有助于减小器件的开关损耗,但是另一方面其会产生严重的EMI问题,如何对控制电路及滤波电路进行合理设计来对EMI进行抑制,也是一个重要的课题。与此同时,高dv/dt对电机绕组的绝缘带来不利影响,可能会加速漆包线、绝缘环等绝缘件的老化,因此对电机的绝缘设计带来了新的挑战。

总结

虽然目前SiC器件的工艺不如Si成熟,SiC封装的发展相对滞后,器件价格也比Si高出好几倍。但是随着器件工艺的成熟以及市场对SiC器件的需求越来越高,这些劣势将会被逐步抹平,而SiC器件与生俱来的高耐压、高开关频率、低损耗等各方面的优势,也决定了未来其可以作为一种非常有竞争力的材料得到越来越广泛的运用。

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