孫新函

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208)

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[1]。預(yù)計到2035年，節(jié)能與新能源汽車銷售量占比達到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量密度及電驅(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[2]。

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[3]?；趯Ω吖β拭芏扰c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體系統(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[4]。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。

表1 半導(dǎo)體材料特性對比

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[5]。

1.2 SiC MOSFET

圖1 Si、Si/SiC混合及全SiC器件損耗對比圖

SiC MOSFET可有效降低損耗，但也存在柵極閾值電壓小、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。由于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基電驅(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。

圖2 三合一電驅(qū)動單元爆炸示意圖

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800 V高電壓平臺設(shè)計，同時在相同外包絡(luò)條件下，兼容SiC基與Si基功率模塊。800 V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[7]。

SiC基電驅(qū)動單元主要參數(shù)如表2所示。

表2 電驅(qū)動單元主要參數(shù)

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 FS03MR12A6MA1B[8]，該模塊集成三相全橋拓撲，耐壓值1 200 V，電流輸出可達400 A(有效值)，自帶散熱針翅，損耗低，頻率高，易于平臺化設(shè)計。功率模塊封裝示意圖如圖3所示。

圖3 SiC功率模塊封裝示意圖

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[9]。

圖4 SiC電機控制器結(jié)構(gòu)爆炸圖

2.2.3 SiC基驅(qū)動電路系統(tǒng)設(shè)計

在譚子虎看來，溫度降低后，空氣濕度會隨之下降。濕度一低，通過打噴嚏、咳嗽等飛沫傳播的呼吸道病毒就會更容易存活和繁殖，同時因為空氣干燥，人體自身呼吸道也會相對干燥，這些病毒進入呼吸道后更容易依附，這就導(dǎo)致秋冬季節(jié)高發(fā)呼吸道疾病，但并非冷空氣本身致病。

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[10]，電壓平臺從400 V提升到800 V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。

圖5 SiC驅(qū)動電路系統(tǒng)架構(gòu)圖

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、母線電壓信號輸入、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柵極驅(qū)動電路、有源鉗位保護電路、門極鉗位保護電路、基于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[11]。

驅(qū)動電源供電電路主要是將原邊12 V供電轉(zhuǎn)換為副邊驅(qū)動電源，驅(qū)動電源選擇+15 V和-4 V，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270 kW永磁同步電機(PMSM)進行電磁方案分析[12]。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0.25 mm，以降低電機鐵損、提升效率[13]。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[14]，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。

圖6 驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖7 驅(qū)動電機電磁方案

考慮到電壓平臺升級到800 V，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≥1 500 V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270 kW，峰值扭矩為315 N·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。

圖8 電驅(qū)動單元臺架實物圖

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、800 V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 ℃，水流量為10 L/min，驅(qū)動電機的冷卻回油溫度為85 ℃。圖9給出了Si基和SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)的外特性曲線。

圖9 Si基和SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)的峰值外特性曲線

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800 V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%。

圖10 Si基和SiC基驅(qū)動電機系統(tǒng)效率MAP

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%。

圖11 SiC基與Si基驅(qū)動電機系統(tǒng)效率差值MAP

4 結(jié) 語

本文通過分析SiC的材料特性的優(yōu)勢，開發(fā)了一種基于SiC的車用純電驅(qū)動單元，分別從整體方案、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。