英飞凌SiC组件提升电动汽车能效
行家说消息
为了使电动汽车尽可能高效，并将每一焦耳的能量转化为可用的机械功率，电动动力系统中的转换器是一个关键部件。从电气的角度来看，它位于车辆电池和展示电驱动单元，并根据需要将电池的直流电压转换为驱动单元的交流电压。能量流和所需的电压转换发生在两个方向上，具体取决于驾驶员对加速的要求，即从电池到原动机的能量流，或从原动机返回到电池的能量流。
这导致转换器的损耗在消耗回收的能量时会发生多次。优化所用功率半导体的效率对于降低驱动器中的能量需求和提高车辆的能源效率更为重要。第一步，必须针对所需的车辆性能设计转换器。
在驱动变流器中确定功率半导体模块的尺寸时，遵守半导体在所有工作点的极限值尤为重要。特别是，这涉及最大介电强度和最大结温。虽然以下考虑与在混合电池组驱动器中使用sic沟槽 MOSFET 有关，但基本关系通常是有效的。最大允许电压和温度可在数据表中找到，并针对 1200 V 和 150 °C 连续运行的 FS03MR12A6MA1B 指定。
通过在传动系统中使用 SiC沟槽 MOSFET 也可以增加电动汽车的续航里程，从而降低转换器的损耗。
图 1：基于 FS03MR12A6MA1B SiC 模块的 250 kW 驱动转换器的 RMS 电流和结温之间的关系，栅极电阻为 5.1 Ω，电池电压为 V_dc,nom = 800 V，通用电气驱动器 (cos phi = 0.8 , 调制指数 = 0.9, fsw = 10 kHz, T_fluid = 65 °C)
图 1：基于 FS03MR12A6MA1B SiC 模块的 250 kW 驱动转换器的 RMS 电流和结温之间的关系，栅极电阻为 5.1 Ω，电池电压为 V_dc,nom = 800 V，通用电气驱动器 (cos phi = 0.8 ，调制指数 = 0.9，fsw = 10 kHz，T_fluid = 65 °C）
设置相电流所需的开关操作以及传导损耗导致温度升高，该升高与冷却系统的热阻成正比。图 1 显示了结温考虑典型展示系统参数。如果在整个运行范围内需要恒定的发动机功率，则这源于在最小电池电压下的最大 RMS 电流。对工作点的精确分析表明，三分之二的转换器损耗是由传导损耗引起的。
为了尽可能降低传导损耗，英飞凌推出了 SiC 沟槽 MOSFET。与市售的平面 SiC MOSFET 相比，这提供了更高的单元密度，从而显着降低了比面积导通电阻 (A·R dson )。由于 SiC 模块的传导损耗和热阻都与使用的半导体面积成正比，因此设计可以通过芯片尺寸适应所需的输出功率。设备齐全时，转换器的输出功率与 IGBT 版本相比可提高 50% 至 250 kW 以上。
为了也能够为功率要求较低的转换器提供服务，英飞凌还提供具有不同数量的并联半导体和不同芯片尺寸的模块变体。这样，可以根据需要缩小正向电阻和用于冷却的面积、热阻R th 。另一方面，目前正在开发的第二代 SiC MOSFET 有望进一步显着改善线路损耗，从而在同一模块中实现更高的输出功率。
为了完整起见，除了连续工作点外，还有一些特殊情况，例如有源短路或所谓的展示应该考虑接近路边（Hill Hold），因为这里也可以优化开关损耗。
图 2：电动汽车典型城市行驶周期的 RMS 电流百分比分布。
图 2：电动汽车典型城市行驶周期的 RMS 电流百分比分布。
高成本、重量和体积限制了安装在电动汽车中的功率。每个动力总成开发的一个目标是通过安装的电池实现最大可能的续航里程，或者在目标续航里程中使用尽可能少的电池容量。对于电力电子设备，这意味着必须减少与行驶循环相关的工作点的损失。用于确定电力电子设备尺寸的工作点、最大电压和最大 RMS 电流在此无关紧要。如图 2 所示，具有高 RMS 电流的工作点仅对应于平均驱动曲线的大约 1%。
根据全球统一轻型车辆测试程序 (WLTP)，所需的平均功率在 15 到 30 kW 之间。但是，参考模块可能的驱动功率为 250 kW，因此要高一个数量级。即使对于要求很高的驾驶配置文件，例如 Artemis 高速公路，所需的平均功率也只是特征工作点典型值的一小部分。虽然应该模拟完整的驾驶循环以优化传动系统，但损耗分量对驱动效率的影响已经可以在代表性的操作点上精确描述。这样的工作点是中等电池电压下的平均驱动功率，展示这些取决于功率损耗和热阻，而主要取决于冷却介质的流动温度，例如 45 °C。开关损耗在这个范围内占主导地位。
优化开关损耗对电动汽车的续航里程有重大影响，因此尤为重要。然而，操作期间的开关损耗只能在不通过更快地切换来适应开关频率的情况下降低。这意味着从导通到阻塞再返回的转换必须在更短的时间内进行，这与更高的边缘陡度相关。
图 3：电压上升率 dU/dt 取决于栅极电阻 Rg。
图 3：电压上升率 dU/dt 取决于栅极电阻 Rg。 （图片：英飞凌）Hybridpack 驱动器中的 CoolSiC
由于单极特性，SiC MOSFET 可以非常快速地切换。图 3 和图 4 清楚地表明，只需选择栅极电阻，沟槽 MOSFET 的边缘陡度就可以有效地适应转换器设计。通过使用单独的开通和关断电阻，可以独立优化 SiC MOSFET 的开通和关断过程。
作为此次调整的一部分，有几个目标需要实现。如前所述，更陡峭的边缘会导致更低的开关损耗，但会对 EMC 行为产生负面影响。因此，与固有耦合电容相关的高 dU/dt 会导致高共模电流。常见的传播/耦合路径是电隔离栅极驱动器电源和电驱动轴承。此外，高 dU/dt 会导致电子设备故障和驱动器绝缘问题。这通常意味着必须使用大而昂贵的滤波器来抑制干扰。因此图 3，混合电池组驱动模块的电压上升速率可以通过栅极电阻在 1.5 kV/µs 至 20 kV/µs 范围内进行调整，dU/dt < 10 kV/µs 是正常的普通绝缘材料的介电强度。
除非在驱动器中采取额外措施，否则电压上升速率和电流上升速率不能随着栅极电阻而相互独立地变化。陡峭的电流边缘会导致在半导体和中间电路电容器之间的换向电路中的寄生电感处产生过高的电压。半导体上的电压在任何时候都不应超过规定的阻断电压。如图 4 所示，栅极电阻为 5.1 Ω，电流为 800 A，di/dt 约为 13 kA/µs。因此，转换器中的换流电感可高达 30 nH，而不会超过半导体的最大允许阻断电压。具有 8.5 nH 的混合驱动模块的典型模块特定换流电感和 <
虽然较小的换流电感会降低过电压，但它们也会在发生故障（例如电桥短路）时导致更快的电流上升时间，并增加对故障检测和消除的要求。
因此，驱动转换器的布局和 SiC MOSFET 的设计始终是半导体电气性能和系统级相互作用之间的权衡。两者都是最终的关键因素电力推进的性能、稳健性和成本。
图 4：电流上升率 dI/dt 取决于栅极电阻 Rg。
图 4：电流上升率 dI/dt 取决于栅极电阻 Rg。结论
通过在 Hybridpack Drive 等已建立的模块化设计中使用 CoolSiC，即使在第一代中，电动汽车的续航里程也可以增加 5% 以上。部分负载范围内损耗的降低对于这些改进具有决定性意义。然而，在与电动汽车的续航里程相关的运行案例中，开关损耗的比例占主导地位。因此，在优化转换器设计时应特别注意开关行为。
作者
Martin Gleich在英飞凌负责驱动器中基于 SiC 的半导体解决方案的技术营销。
Mark Muenzer是英飞凌创新与新兴技术副总裁。
Ajay Poonjal Pai是英飞凌汽车 SiC 半导体的高级产品定义经理。
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