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碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估

發(fā)布時(shí)間:2020-11-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】碳化硅功率半導(dǎo)體近年來(lái)在能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中正在成為一個(gè)熱門的話題:由于材料屬性,使得它具有比硅基半導(dǎo)體器件更高的最大結(jié)溫、更小的損耗,以及更小的材料熱阻系數(shù)等。
    
前言
臻驅(qū)科技(上海)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“臻驅(qū)科技”)是一家以研發(fā)、生產(chǎn)和銷售新能源車動(dòng)力總成及其功率半導(dǎo)體模塊為核心業(yè)務(wù)的高科技公司。2019年底,臻驅(qū)科技與日本羅姆半導(dǎo)體公司成立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,并簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議,合作內(nèi)容包含了基于某些客戶的需求,進(jìn)行基于羅姆碳化硅芯片的功率半導(dǎo)體模塊,及對(duì)應(yīng)電機(jī)控制器的開發(fā)。本文即介紹臻驅(qū)對(duì)碳化硅功率模塊的開發(fā)、測(cè)試及系統(tǒng)評(píng)估。
 
Introduction
碳化硅功率半導(dǎo)體近年來(lái)在能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中正在成為一個(gè)熱門的話題:由于材料屬性,使得它具有比硅基半導(dǎo)體器件更高的最大結(jié)溫、更小的損耗,以及更小的材料熱阻系數(shù)等。
 
因此,很多人宣稱,當(dāng)碳化硅功率器件應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換后,變頻器系統(tǒng)將有更高的功率密度、更小的體積、更高的允許工作溫度,以及更低的損耗,從而給應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)更大優(yōu)勢(shì)。
 
臻驅(qū)科技計(jì)劃將碳化硅芯片封裝至功率模塊,并應(yīng)用于新能源車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中(以下簡(jiǎn)稱“電控”),用于取代其現(xiàn)有的硅基IGBT功率模塊(峰值功率約為150 kW)。
 
進(jìn)行開發(fā)之前,應(yīng)用者需要進(jìn)行評(píng)估,哪些碳化硅的特性能給主驅(qū)應(yīng)用帶來(lái)最大的價(jià)值。例如,對(duì)于此類DC-AC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),碳化硅技術(shù)的導(dǎo)入對(duì)于電控體積的減小并沒(méi)有顯著的作用,因?yàn)殡娍氐捏w積主要取決于其各子部件的封裝技術(shù)而功率模塊只占其中很小的百分比;另一些人宣稱可以利用碳化硅更高工作結(jié)溫的優(yōu)勢(shì),少安裝芯片數(shù)量并使其工作在高溫,從而降低成本。也許,此特性適用于如地下鉆探等環(huán)境溫度很高的應(yīng)用,但對(duì)于新能源車而言,是否有必要將結(jié)溫推高而犧牲效率(注:碳化硅在高溫下的損耗會(huì)顯著增加),以及是否因?yàn)楣?jié)省了芯片數(shù)量就能節(jié)省系統(tǒng)成本,是需要被質(zhì)疑的。
 
表1 羅姆公司第四代SiC芯片性能概覽
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
 
在臻驅(qū)看來(lái),碳化硅技術(shù)應(yīng)用于主驅(qū)電控的主要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì),是在于效率的提升,以及峰值輸出功率的增加。前者可以提升續(xù)航里程或減少電池安裝數(shù)量,后者可以給整車帶來(lái)更大的百公里加速度。臻驅(qū)第一款開發(fā)的是750V的碳化硅模塊,針對(duì)A級(jí)及以上的乘用車型;第二款是1200V碳化硅模塊,應(yīng)用于800V系統(tǒng)的乘用車或商用車。在臻驅(qū)開發(fā)的碳化硅模塊中,臻驅(qū)采用的是羅姆最新的第四代750V及1200V芯片,以1200V芯片為例,其綜合性能較上一代產(chǎn)品有顯著提升,見表1。
 
本文介紹了該項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程:包含系統(tǒng)性能評(píng)估(top-down flow),用于選擇芯片并聯(lián)數(shù)量;碳化硅模塊的本體設(shè)計(jì),包括封裝形式、電磁、熱、結(jié)構(gòu)、可制造性等;模塊性能測(cè)試,對(duì)標(biāo)某知名IGBT功率模塊;根據(jù)模塊的標(biāo)定結(jié)果迭代系統(tǒng)性能評(píng)估,包括最大輸出功率、高效區(qū)并輔以臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果,并展開其對(duì)續(xù)航里程影響的分析。基于以上結(jié)果,本文最后將總結(jié)一下關(guān)于碳化硅模塊應(yīng)用于主驅(qū)設(shè)計(jì)的方法論。
 
系統(tǒng)分析
根據(jù)羅姆提供的第四代SiC芯片規(guī)格書,作者將其相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入至臻驅(qū)的系統(tǒng)分析工具——ScanTool中。ScanTool是一種時(shí)域-頻域混合的穩(wěn)態(tài)仿真工具,主要用于電力電子系統(tǒng)的前期方案設(shè)計(jì),可用于計(jì)算系統(tǒng)在不同軟硬件配置下的功率、效率、輸出波形失真、母線電容的電壓紋波及電流應(yīng)力等。ScanTool的計(jì)算原理是將時(shí)域激勵(lì)波形轉(zhuǎn)成頻域的頻譜,同時(shí)將負(fù)載用頻域矩陣的形式表述,兩者相乘從而獲得頻域的響應(yīng),再對(duì)該頻域響應(yīng)逆變換成時(shí)域波形。通過(guò)此種方式,該工具的輸出波形具有極高的穩(wěn)態(tài)精度,同時(shí)又避免了一般的時(shí)域仿真工具從初始狀態(tài)到最終穩(wěn)態(tài)的等待時(shí)間,使其仿真時(shí)間可以從每個(gè)仿真數(shù)十分鐘縮減至1-2秒。因此ScanTool特別適合動(dòng)輒需要仿真成百上千種軟硬件設(shè)計(jì)組合的高自由度的電力電子系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)。一個(gè)圖像化的原理介紹見圖1。
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖1 Scantool原理框圖
 
一般而言,當(dāng)人們?cè)O(shè)計(jì)一款基于IGBT芯片的功率模塊時(shí),芯片的種類及并聯(lián)數(shù)量的選擇依據(jù)大多為芯片的結(jié)溫(或者說(shuō)是最大結(jié)溫時(shí)能輸出的峰值功率)。此項(xiàng)目采用碳化硅芯片,單個(gè)面積小、適合多芯片并聯(lián),但其價(jià)格較IGBT高出不少。另一方面,碳化硅屬于單極性器件,因此碳化硅芯片的并聯(lián)數(shù)量越多,其總導(dǎo)通損耗越低,并可因此提高電控的效率。所以,選擇芯片并聯(lián)數(shù)量時(shí),除了最高結(jié)溫限制了最大輸出功率,還必須考慮它對(duì)于系統(tǒng)層面的優(yōu)勢(shì)——如之前所提到過(guò)的,即必須考慮綜合的效率提升,尤其是如在NEDC、WLTC、CLTC等循環(huán)路況下的續(xù)航里程的提升,并結(jié)合財(cái)務(wù)回報(bào)模型進(jìn)行綜合分析。一種簡(jiǎn)化的財(cái)務(wù)模型可以包含使用碳化硅的模塊(較IGBT模塊)導(dǎo)致的成本差異、電池安裝成本減少,以及后續(xù)的充電使用成本減少。前兩者為初始投資支出(CAPEX),后者為運(yùn)營(yíng)支出(OPEX),最終可以折算出獲得財(cái)務(wù)回報(bào)的時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)車型與用戶使用頻次,該盈虧平衡點(diǎn)可以在1-4年之間。由于該系統(tǒng)層面測(cè)算模型涉及到很多變量的假設(shè),本文不再贅述。
 
經(jīng)過(guò)一系列的系統(tǒng)分析,我們驗(yàn)證了芯片并聯(lián)數(shù)量過(guò)多,不會(huì)對(duì)續(xù)航里程進(jìn)一步提升有過(guò)多幫助,而只能提升該車的最大加速度;芯片數(shù)量過(guò)少,貌似模塊成本降低,但也可能失去效率/經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)——尤其是考慮碳化硅芯片的正溫度系數(shù)后。
 
基于此結(jié)果,作者對(duì)選擇的芯片數(shù)量依據(jù)財(cái)務(wù)模型進(jìn)行了優(yōu)化,既能避免無(wú)謂的多安裝的芯片而導(dǎo)致的成本增加,也避免了芯片并聯(lián)數(shù)量過(guò)少而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不再。同時(shí),臻驅(qū)碳化硅模塊也引入了平臺(tái)化設(shè)計(jì)的理念,即當(dāng)客戶對(duì)于整車加速性有更高要求的時(shí)候(例如對(duì)于部分高端車型),模塊內(nèi)部可以根據(jù)客戶需求而并聯(lián)更多的芯片,從而提高最大瞬時(shí)輸出功率,給整車用戶提供更大的推背體驗(yàn)。
 
模塊本體設(shè)計(jì)
當(dāng)芯片選型與并聯(lián)數(shù)量確定后,我們進(jìn)入功率半導(dǎo)體模塊的本體設(shè)計(jì)階段,它一般包含電磁、熱、結(jié)構(gòu)與可制造性等內(nèi)容。需要注意的是,碳化硅的開關(guān)速度比硅基的IGBT高很多,所以,一些在IGBT模塊中通常并不嚴(yán)苛的指標(biāo),會(huì)在碳化硅模塊的設(shè)計(jì)中變得十分關(guān)鍵。這些指標(biāo)包括了各并聯(lián)碳化硅芯片之間的開關(guān)時(shí)刻同步性、芯片的瞬態(tài)電流電壓應(yīng)力的均衡性、功率鏈路對(duì)于門極的干擾等。其中,前兩個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)在模塊外特性上,它們會(huì)決定該模塊的極限電壓與電流輸出能力;功率鏈路對(duì)門極的干擾,是器件在開通關(guān)斷的瞬間,將電磁能量通過(guò)空間耦合到控制鏈路上,其造成的后果可能是導(dǎo)致門極瞬態(tài)電壓應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致門極老化加快、壽命減少,嚴(yán)重的可導(dǎo)致功率的誤觸發(fā),造成模塊及系統(tǒng)的損壞。
 
此外,在臻驅(qū)之前的碳化硅功率模塊的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中,發(fā)現(xiàn)碳化硅模塊中較為明顯的振蕩現(xiàn)象,它是由功率模塊的漏感與碳化硅芯片的結(jié)電容構(gòu)成的LC諧振,通常其頻率在數(shù)十兆赫茲。該振蕩會(huì)影響到電控系統(tǒng)的電磁兼容表現(xiàn),并降低碳化硅模塊的效率優(yōu)勢(shì),甚至在某些極限工況下,此諧振會(huì)進(jìn)一步惡化,使電壓電流幅值超越器件的安全工作區(qū)域(SOA)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,臻驅(qū)開發(fā)了一系列設(shè)計(jì)輔助工具,并基于此優(yōu)化了模塊本體設(shè)計(jì),最終將該問(wèn)題基本解決。圖2是兩個(gè)輸出波形的對(duì)比??梢钥闯?,在相同的工況下,優(yōu)化后的模塊設(shè)計(jì)不再有明顯的振蕩現(xiàn)象。
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖2  改善前(左圖)與改善后(右圖)的關(guān)斷電壓與電流波形
 
最終,臻驅(qū)設(shè)計(jì)的碳化硅功率模塊經(jīng)過(guò)多次迭代,將模塊內(nèi)部多芯片之間的瞬態(tài)應(yīng)力不平衡度降低到了10%以下。根據(jù)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部進(jìn)行的競(jìng)品對(duì)標(biāo)評(píng)估,認(rèn)為僅此性能就已經(jīng)做到了業(yè)內(nèi)的頂尖水平。同時(shí),功率鏈路對(duì)于門極的電壓毛刺干擾也大大減小;模塊開關(guān)時(shí)刻的高頻振蕩問(wèn)題也得到了較好的解決。
 
碳化硅模塊性能對(duì)標(biāo)測(cè)試
功率模塊的測(cè)試包含性能與可靠性測(cè)試,而性能測(cè)試可以分為用于導(dǎo)通損耗評(píng)估的靜態(tài)測(cè)試與用于開關(guān)損耗評(píng)估的動(dòng)態(tài)測(cè)試。后者通常的實(shí)現(xiàn)方法是一種稱為“雙脈沖測(cè)試”的方法,它需要對(duì)于被測(cè)器件施加不同的電壓、電流、器件溫度,甚至不同的門極驅(qū)動(dòng)電阻,以進(jìn)行全面測(cè)試評(píng)估。一個(gè)完整的測(cè)試DoE表格(Design of Experiment)可包含數(shù)千個(gè)工作點(diǎn)。考慮到接著還需要進(jìn)行大量的測(cè)試數(shù)據(jù)的后處理工作,功率器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試顯然是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)。因此,很多情況下,用戶不得不選擇降低測(cè)試點(diǎn)密度,即刪減DoE表格的長(zhǎng)度來(lái)縮短測(cè)試時(shí)間。
 
臻驅(qū)科技開發(fā)出了一套高精度、高測(cè)試速度的功率模塊動(dòng)態(tài)測(cè)試標(biāo)定平臺(tái),它基本可以做到“一鍵”完成數(shù)千個(gè)工作點(diǎn)的全自動(dòng)測(cè)試,并自動(dòng)化后做數(shù)據(jù)的后處理,并半自動(dòng)地生成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊測(cè)試報(bào)告。使用者所需要做的,只是對(duì)測(cè)試前期硬件進(jìn)行配置、生成科學(xué)的DoE表格,以及對(duì)最終的測(cè)試報(bào)告添加主觀評(píng)估的內(nèi)容。對(duì)一個(gè)有3000多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的模塊標(biāo)定任務(wù),相較于一般的手動(dòng)/半手動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),該自動(dòng)化標(biāo)定平臺(tái)可以將工作從2個(gè)月壓縮到2天,且包含了數(shù)據(jù)后處理及報(bào)告生成。圖3介紹了該測(cè)試平臺(tái)的核心功能。
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
(a) 自動(dòng)化測(cè)試界面  
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
(b) 自動(dòng)化的數(shù)據(jù)后處理
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
(c) 半自動(dòng)化的報(bào)告生成
圖3 雙脈沖測(cè)試平臺(tái)核心功能
 
本項(xiàng)目中,動(dòng)態(tài)性能的參考對(duì)象為一知名的IGBT功率模塊。測(cè)試結(jié)果顯示,臻驅(qū)開發(fā)的碳化硅功率模塊在動(dòng)態(tài)性能上全面超越了參考的IGBT功率模塊,這包括了開通損耗、關(guān)斷損耗及體二極管的反向恢復(fù)損耗。同時(shí),碳化硅模塊在極端溫度下也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振蕩。
 
碳化硅電控的效率對(duì)標(biāo)測(cè)試
接著,基于碳化硅功率模塊及其配套的門極驅(qū)動(dòng)被裝入了電機(jī)控制器,并匹配一永磁電機(jī)進(jìn)行效率圖的標(biāo)定,其結(jié)果用于與基于IGBT功率模塊的電控的對(duì)標(biāo)。電控及驅(qū)動(dòng)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)見圖4。
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖4 SiC電機(jī)控制器效率測(cè)試
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖5 IGBT電控與SiC電控實(shí)測(cè)效率對(duì)比
 
IGBT電控與碳化硅電控的實(shí)測(cè)效率圖與關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比分別見圖5與表2。可以看到,采用了碳化硅功率模塊的電控?zé)o論是在最高效率、最低效率,還是高效區(qū)都有了顯著的提升。尤其是在低扭矩的輕載情況下,碳化硅的效率優(yōu)勢(shì)極為明顯。這主要是得益于單極性功率器件在輕載時(shí)的導(dǎo)通損耗低,及全區(qū)域的開關(guān)損耗低的特性。
 
 表2 IGBT電控與SiC電控實(shí)測(cè)效率對(duì)比
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
 
注:電控實(shí)際效率通過(guò)功率分析儀測(cè)量得出,在極高效率區(qū)間由于設(shè)備精度限制可能存在一定誤差。
       功率分析設(shè)備采用Yokogawa WT3004E,于逆變器輸入輸出端口進(jìn)行效率測(cè)量
 
碳化硅電控的效率仿真驗(yàn)證
此外,我們也將雙脈沖測(cè)試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入了系統(tǒng)評(píng)估工具ScanTool,對(duì)效率圖進(jìn)行了仿真計(jì)算。需要指出的是,由于碳化硅器件有較明顯的正溫度系數(shù)特性(即損耗隨著溫度升高而增加),ScanTool中設(shè)置了溫度迭代功能,即根據(jù)前一次仿真結(jié)果的器件結(jié)溫計(jì)算該器件在此結(jié)溫下的損耗,再進(jìn)行結(jié)溫復(fù)算,直至前后兩次計(jì)算結(jié)果的溫度偏差小于1度。可以想象的是,當(dāng)芯片并聯(lián)數(shù)量過(guò)少的時(shí)候,由于結(jié)溫升高會(huì)引起器件的損耗增加;反之,芯片并聯(lián)數(shù)量較多時(shí),單個(gè)器件的損耗較低,使其工作結(jié)溫也較低,在此較低的結(jié)溫下,碳化硅芯片的損耗將進(jìn)一步減少。可見,具備溫度-損耗的迭代功能的ScanTool是保證建模精度的一個(gè)關(guān)鍵。
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖6 基于損耗測(cè)試數(shù)據(jù)的IGBT電控與SiC電控Scantool仿真效率對(duì)比 (考慮損耗溫度系數(shù))
 
仿真的結(jié)果顯示在圖6及表3。對(duì)照?qǐng)D5和表2的實(shí)測(cè)結(jié)果,我們可以看到,分析工具與實(shí)測(cè)結(jié)果是十分吻合的。兩者之間的剩余差異主要體現(xiàn)在低速區(qū),在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的電控輸出功率很低,因此電控內(nèi)的殘余損耗顯得明顯,如銅排與母線電容上的損耗等。此外,脈寬調(diào)制的方案、測(cè)試設(shè)備的精度也是可能的原因,但這些較小的差異不影響接下去的系統(tǒng)級(jí)續(xù)航里程分析。
 
表3 基于損耗測(cè)試數(shù)據(jù)的IGBT電控與SiC電控仿真效率對(duì)比
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
 
碳化硅電控的最大輸出能力分析
 
碳化硅模塊內(nèi)部的芯片并聯(lián)數(shù)量越多,其電控的輸出能力越大。在這項(xiàng)分析中,我們假設(shè)碳化硅與IGBT允許工作在相同的最高結(jié)溫下即150℃。ScanTool的仿真結(jié)果顯示,當(dāng)模塊采用6芯片并聯(lián)時(shí),最大輸出功率增加12.4%;當(dāng)采用8芯片并聯(lián)時(shí),功率增加31%。
 
在實(shí)驗(yàn)中,由于動(dòng)力總成臺(tái)架的能力限制,我們使用了電感作為負(fù)載來(lái)測(cè)試最大輸出能力。相較于采用真實(shí)電機(jī)負(fù)載,這個(gè)妥協(xié)的方案用于評(píng)估碳化硅模塊測(cè)試是可以接受的,原因是碳化硅芯片雙向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)使得其損耗對(duì)于負(fù)載的功率因數(shù)的大小并不敏感。
圖9展示了碳化硅電控輸出達(dá)到了600 Arms,且已達(dá)到了測(cè)試設(shè)備的最大能力。需要指出的是,在電控應(yīng)用場(chǎng)景中,我們保持了10kHz的開關(guān)頻率,而此時(shí)碳化硅模塊的開關(guān)損耗的百分比仍是較低的(約20%)。因此,通過(guò)升級(jí)軟件的控制頻率和驅(qū)動(dòng)電路的功率能力,可以顯著提升電控的開關(guān)頻率而不導(dǎo)致明顯的功率降額。在高開關(guān)頻率下,負(fù)載的基波頻率也可以顯著提升,即將電控用于如高速空壓機(jī)、航天等應(yīng)用場(chǎng)景。
 
 碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖 9 碳化硅電控實(shí)際運(yùn)行波形(基波頻率300Hz, 電流有效值600A,直流母線420V)
 
碳化硅電控帶來(lái)的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)評(píng)估
此處的系統(tǒng)評(píng)估指的主要是整車層面的續(xù)航里程。為此,臻驅(qū)科技已開發(fā)了一套整車基于指定路譜的計(jì)算工具:使用者選定一款車型,并指定路況模板后,該工具將輸出對(duì)應(yīng)于動(dòng)力總成(電機(jī)+電控)的扭矩與轉(zhuǎn)速指令,并根據(jù)ScanTool計(jì)算或?qū)嶋H標(biāo)定得出的碳化硅電控及電機(jī)的效率圖,計(jì)算出整車的續(xù)航里程。
 
 碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖 10  整車?yán)m(xù)航里程系統(tǒng)評(píng)估工具概念圖 (*注:部分子部件圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
圖11  搭載IGBT電控與SiC電控的整車能耗分布對(duì)比 (一個(gè)CLTC-P循環(huán)路況下)
 
此處我們選擇了一款低風(fēng)阻的轎車車型,并匹配如圖5所示的IGBT/SiC電控及其對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)測(cè)效率,置于CLTC-P(China Light-duty Vehicle Test Cycle – passenger car, 中國(guó)輕型汽車行駛工況-乘用車)路譜下進(jìn)行仿真分析,整車系統(tǒng)能耗對(duì)比見圖11。較原來(lái)搭載的IGBT電控方案,搭載了臻驅(qū)碳化硅電控的整車能耗降低4.4%,即搭載相同電池容量情況下,續(xù)航里程可增加4.4%!這個(gè)令人振奮的結(jié)果,證明了碳化硅技術(shù)在新能源車主驅(qū)應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢(shì)。用戶可根據(jù)此結(jié)果,進(jìn)一步進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性方面的分析。
 
項(xiàng)目總結(jié)
本文介紹了臻驅(qū)科技對(duì)于碳化硅功率模塊及電控的開發(fā)、測(cè)試及系統(tǒng)評(píng)估。實(shí)測(cè)結(jié)果證明,該碳化硅功率模塊工作穩(wěn)定,并相較于IGBT模塊在損耗方面有明顯降低;所對(duì)應(yīng)的碳化硅電控,相較于IGBT電控,無(wú)論在最大輸出功率還是續(xù)航里程上都有顯著的優(yōu)勢(shì)。此項(xiàng)目也側(cè)面證明了,碳化硅技術(shù)應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)是大勢(shì)所趨。
 
 碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
(a) 組裝線 (自動(dòng)化率約85%)
 
碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)評(píng)估
(b) 測(cè)試線 (自動(dòng)化率 100%)
圖12 臻驅(qū)自動(dòng)化產(chǎn)線
 
本文所開發(fā)的碳化硅功率模塊與某主流IGBT功率模塊在功率端子部分兼容,而門極位置經(jīng)過(guò)了優(yōu)化改動(dòng),其目的是優(yōu)化模塊內(nèi)部的電氣性能。本文所開發(fā)的碳化硅電控與IGBT電控的功能完全兼容而性能優(yōu)勢(shì)明顯,并可在臻驅(qū)科技現(xiàn)有的電控自動(dòng)化產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
 
臻驅(qū)科技自主研發(fā)了一套自動(dòng)化產(chǎn)線(見圖12),其規(guī)劃產(chǎn)能為每年15萬(wàn)臺(tái),組裝線自動(dòng)化率約85%,測(cè)試線自動(dòng)化率為100%。工廠通過(guò)了TUEV(德國(guó)技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)的)的IATF16949質(zhì)量體系認(rèn)證。
 
臨近尾聲,作者對(duì)碳化硅電控的心得討論如下:
1. 碳化硅用于電控的主要優(yōu)勢(shì)在于效率,而更高效率帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)在于電池安裝成本及充電成本的降低;
2. 碳化硅模塊設(shè)計(jì)時(shí),其芯片并聯(lián)數(shù)量需要一定過(guò)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)性;更多的芯片并聯(lián)會(huì)降低經(jīng)濟(jì)性,但可幫助整車實(shí)現(xiàn)更大的加速度;
3. 碳化硅模塊本體設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于電磁部分,需要開發(fā)出精確的建模和設(shè)計(jì)輔助工具;
4. 碳化硅技術(shù)用于小風(fēng)阻車型時(shí)續(xù)航里程可增加4%以上。
 
總體而言,碳化硅電控適用于續(xù)航里程長(zhǎng)、風(fēng)阻小的高端車型,并對(duì)整車使用頻次較高的用戶有更高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
 
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