面向大功率芯片散熱的電動汽車電機控制器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

熱設(shè)計 2023-11-13

來源：時代汽車

作者：陳志飛

摘要：在當(dāng)下的實際應(yīng)用中，特別是電動汽車領(lǐng)域，由于該領(lǐng)域的快速發(fā)展導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件需要更高的性能要求。自功率半導(dǎo)體誕生以來，技術(shù)人員主要致力于提高元件的耐壓耐溫、開關(guān)頻率、通流能力等性能，然而硅元件性能受限于基地材質(zhì)，該材質(zhì)存在明顯的上限，目前的硅功率半導(dǎo)體的性能基本接近上限，難以滿足當(dāng)前及未來電動汽車電機控制器對效率，功率密度，體積，可靠性等方面的需求。這些問題的存在使得行業(yè)積極轉(zhuǎn)向采用前沿技術(shù)：采用性能更加優(yōu)異的碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅（Si）功率半導(dǎo)體器件進行電機控制器設(shè)計。

關(guān)鍵詞：SiC　電動汽車　電機控制器　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)電動汽車產(chǎn)業(yè)始于21世紀(jì)初期，在2006年開始嘗試實現(xiàn)混合動力汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模化，并開始逐步拓展至純電動汽車的生產(chǎn)范圍[1]。當(dāng)時的專家團隊就電動汽車的車用動力蓄電池、驅(qū)動電機、燃料電池、電力電子設(shè)備等關(guān)鍵零部件的總體集成和技術(shù)研發(fā)進行了大規(guī)模的攻關(guān)，促進產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，從而奠定了現(xiàn)今中國在電動汽車領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著產(chǎn)業(yè)不斷競爭和整合，電動汽車因其發(fā)展迅猛，效果顯著，性能優(yōu)異，技術(shù)可靠等優(yōu)點，迅速成為了國內(nèi)最主流的一種電動汽車產(chǎn)品。電動汽車顧名思義—指利用電能驅(qū)動車輛運行，首先通過高性能電池儲存并輸出電能，然后由電機驅(qū)動裝置將能量精確控制并分配至驅(qū)動電機-輪轂系統(tǒng)從而實現(xiàn)車輛運行的方式。由于這個方向與傳統(tǒng)汽車行業(yè)相比差別較大，國外的領(lǐng)先程度也不高，同時由于行業(yè)藍(lán)海阻力小，沒有存在明顯的行業(yè)專利壁壘和壟斷，國內(nèi)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展迅速，使得我國后發(fā)優(yōu)勢得到了充分的體現(xiàn)。2013年實現(xiàn)了高功率硅IGBT器件國產(chǎn)化，2016年達到世界先進水平，我國電動汽車得以能夠同歐美企業(yè)同臺競技[2]。

2 電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究

2.1 電力驅(qū)動裝置應(yīng)用需求

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展在電力驅(qū)動系統(tǒng)中的電動機已經(jīng)從傳統(tǒng)的直流電機、交流異步電機發(fā)展到了同步磁阻電機、永磁電機等效率高、體積小、功率密度大的新型電機產(chǎn)品。相比于傳統(tǒng)驅(qū)動電機，新型電機具備體積小，功率大，成本低，控制精度高的優(yōu)勢。傳統(tǒng)電機控制系統(tǒng)簡單響應(yīng)性能雖然不錯，但由于體積、成本、效率等因素導(dǎo)致了其無法同新型電動機在電動汽車這個行業(yè)上競爭，而新型電機是因為采用了先進的電機驅(qū)動裝置才能發(fā)揮出新型電機的性能。

電動汽車要走進千家萬戶，首先得能夠保證行業(yè)能自行發(fā)展，穩(wěn)定盈利，那么必然會面臨著一個國家政策補貼減少和完全取消這樣一個嚴(yán)峻的考驗。當(dāng)國家的政策扶持逐步取消以后，什么樣的產(chǎn)品才能賣出合適的價格？才能讓市場接受？才能走進千家萬戶？首先是價格，要能夠讓普通消費者買得起，然后是與同競爭對手燃油汽車相比要跑得里程要長續(xù)航能力強，再者安全系數(shù)一定要高，最后是智能化水平要領(lǐng)先。而電機驅(qū)動裝置，作為電動汽車三大核心技術(shù)之一，其性能的好壞直接決定了車輛的總體指標(biāo)。因此對電機驅(qū)動裝置的要求就是成本低，效率高，體積要小，環(huán)境適應(yīng)性強，容忍性強。那么就需要具備高功率密度、能耐受高溫、不懼低溫、電氣控制性能好、抗電磁干擾能力強或者容易控制、過載運行能力強、過負(fù)荷倍數(shù)要突出、控制容易且精確穩(wěn)定和綜合系統(tǒng)性能強等特點。只有這樣才能在產(chǎn)品端表現(xiàn)出優(yōu)勢，才能具有較強的行業(yè)競爭力。

2.2 傳統(tǒng)電機驅(qū)動控制器研究

隨著電力電子技術(shù)水平迅速發(fā)展得到進一步的提升以及各種先進高性能微處理器，其控制和功能日趨豐富而強大，電機驅(qū)動的自動控制系統(tǒng)設(shè)備已實現(xiàn)完全數(shù)字化控制，產(chǎn)業(yè)也迅速朝著集成化、模塊化的方向發(fā)展。

電力驅(qū)動裝置這種集成系統(tǒng)由多個模塊組合而成，傳統(tǒng)的電力驅(qū)動裝置采用硅IGBT作為電流的控制元件，普通硅器件結(jié)溫目前已達到150℃，接近硅材質(zhì)的上限，并且元件在工作溫度大于80℃后就會出現(xiàn)顯著的性能降低、芯片載流能力下降、開關(guān)波形不穩(wěn)定、毛刺增加等問題，這要求提供更大的驅(qū)動電流，同時增加了對控制電路的壓力。為滿足車輛控制的可靠性要求，往往需要散熱系統(tǒng)和驅(qū)動控制系統(tǒng)，形成較大的系統(tǒng)冗余，且硅IGBT本身也存在一定程度的模塊冗余。這導(dǎo)致集成系統(tǒng)體積碩大、成本高昂且性能一般，主要用于對設(shè)備體積不敏感的場所例如高鐵、電動公交等[3]。

從占用體積角度分析，為保證散熱，集成系統(tǒng)采用循環(huán)水冷系統(tǒng)直接接觸芯片的方式帶走熱量，但因為水冷液正常工作溫度在50-90攝氏度范圍，硅IGBT元件的可靠工作溫度與冷卻介質(zhì)溫差較小，需要極高的傳熱能力才能保證熱量的快速轉(zhuǎn)移。但為了保證系統(tǒng)安全可靠，在高頻振動下穩(wěn)定、不老化，電子元器件必須與冷卻介質(zhì)完全隔離，不能采用常規(guī)民用產(chǎn)品，直接接觸冷卻和液體表面沖擊冷卻。因此，中間層的傳熱介質(zhì)只能是銅制熱管或純銅均熱板，其成本相對高昂而且需要較大的接觸表面積來保證熱量的快速轉(zhuǎn)移，這導(dǎo)致水冷系統(tǒng)水道復(fù)雜、成本高、體積大近乎占據(jù)整個模塊約40%。為保證開關(guān)波形的穩(wěn)定，必須保證在最惡劣工況下IGBT驅(qū)動元件電磁干擾要盡量小，不會因為大電流導(dǎo)致紋波異常，引起錯誤的開關(guān)動作。通常采用三相橋式逆變電路的IGBT系統(tǒng)，為保證最終輸出波形能接近正弦波需要采用PWM高頻開關(guān)，配合續(xù)流元件和平波電容從而實現(xiàn)波形整理。而傳統(tǒng)硅IGBT模塊因工作溫度導(dǎo)致的性能劣化且由雜波引起的穩(wěn)定時間延遲導(dǎo)致系統(tǒng)開關(guān)頻率較低，僅有30kHz左右，這導(dǎo)致在輸出正弦波驅(qū)動電流時PWM波形頻率太低需要很大的平波電容才能實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。這些電容組統(tǒng)稱為母排電容，集成后也占用了較大體積，且因為電容數(shù)量眾多，導(dǎo)致工作電壓也較高而能采用的PP膜電容僅具有較好的低頻性能[4]。雜波的尖銳波形形成的高次諧波會導(dǎo)致母排電容組的損耗增加，發(fā)熱量很大。傳統(tǒng)的集成系統(tǒng)工程設(shè)計是采用定制電容器，封裝外殼直接與散熱模組連接，通過循環(huán)水冷系統(tǒng)帶走熱量。因此母排電容及其附屬配件占用了整個模塊約45%，成本是難以降低。

去除以上兩部分組件，真正用于電機驅(qū)動的核心部件IGBT模組和控制電路的體積只占整個模塊的15%，雖然這部分占成本比例高，但由于國產(chǎn)化元器件進度很大，更新?lián)Q代速度較快。因此成本下降速度很快，屬于創(chuàng)新競爭的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。可以根據(jù)市場定位選擇合適價格的元器件。而其余的散熱系統(tǒng)和母排電容系統(tǒng)的成本和占用體積幾乎無法減少。這嚴(yán)重影響產(chǎn)品的競爭力。

2.3 SiCMOSFET驅(qū)動元件替代硅IGBT元件設(shè)計

硅IGBT與SiCMOSFET驅(qū)動芯片兩者電氣參數(shù)特性差別較大，對驅(qū)動的要求也不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面，見表1。

微信截圖_20231113092014.png

從開通、關(guān)斷控制電壓來看，相比于傳統(tǒng)硅IGBT，采用SiC器件需要更高的開通電壓，但關(guān)斷電壓可采用0V，這極大簡化了控制電路的設(shè)計，不需要額外的負(fù)壓電路。對比電磁干擾的耐受性能CMTI，碳化硅MOSRET也顯著強于傳統(tǒng)硅IGBT，能實現(xiàn)更高的可靠性同時簡化驅(qū)動電路設(shè)計[5]。

從開關(guān)時間來看，開關(guān)時間的成倍縮短能大大減少系統(tǒng)在導(dǎo)通與關(guān)斷之間切換過程的時間，過程時間越短，則過程狀態(tài)下的開關(guān)損耗就越小，顯著降低的開關(guān)損耗極大降低高頻運行下的發(fā)熱。同時導(dǎo)通電阻的降低也能減少通流損耗，低頻、大電流下的發(fā)熱也能顯著減少。綜合各種運行工況來看，作為電流控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，任意一種損耗的減小均能大幅提高系統(tǒng)運行效率。

從開關(guān)頻率方面來看，通常硅IGBT的應(yīng)用開關(guān)頻率不大于40kHz，而SiC開關(guān)頻率通常在100-200kHz，相對來說得到大幅提升，在用于PWM驅(qū)動產(chǎn)生正弦波輸出的過程中能夠有效優(yōu)化波形，能降低對母排電容的容量要求，大幅降低輸出毛刺和抖動，可以減少母排電容的發(fā)熱損耗。

從SiC材料本身的材料性能方面來看，其器件結(jié)構(gòu)具有天生的耐高溫能力，本身熱導(dǎo)率性能優(yōu)越，是硅材料的三倍，在真空條件下甚至可耐受高達400-600℃的高溫，在實際工業(yè)應(yīng)用中，為了防止接觸空氣氧化、保證系統(tǒng)可靠性穩(wěn)定性，SiC器件必須有車規(guī)級封裝，當(dāng)前耐高溫封裝中，150℃結(jié)溫是業(yè)界目前的最高執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，而200℃乃至更高耐溫的封裝還在定制化設(shè)計之中，潛力深厚具有非常廣闊的發(fā)展前景。

從SiC材料本身的物理性能方面來看，SiC半導(dǎo)體器件具有很寬的禁帶寬度，屬于第三代半導(dǎo)體材料，臨界擊穿電場強度是硅材料的近十倍，這使得更高元器件工作電壓成為了可能。目前的產(chǎn)品中傳統(tǒng)硅IGBT產(chǎn)品工作電壓約450V-800V，而已投產(chǎn)的車用SiC器件工作電壓可達1200V-3300V且仍具備較大提高的空間。這樣可使得同等功率下高電壓小電流驅(qū)動成為了可能，電流的減小能顯著降低雜散電感和電磁干擾的影響，且能大幅降低線路損耗與發(fā)熱。

為更好的發(fā)揮SiC器件的特點和優(yōu)勢，需要對現(xiàn)有電機控制器進行大量優(yōu)化和改進。首先控制主系統(tǒng)必須具備更小的延遲、更高的開關(guān)頻率和更短的保護動作時間。這需要采用更先進更高頻率的SOC片上系統(tǒng)，才能發(fā)揮SiC器件高開關(guān)頻率、低損耗的優(yōu)勢。其次SiC器件損耗低、發(fā)熱量小且耐溫高，這些優(yōu)越的性能組合起來使得SiC熱傳導(dǎo)速度極大提高、熱密度提高、冷卻系統(tǒng)大幅減小。采用單獨的耐高溫開關(guān)板設(shè)計，將所有SiC器件集成到一起，采用光觸發(fā)技術(shù)同控制板完全隔離，工作溫度為150-200℃。這既保證常規(guī)控制板工作溫度穩(wěn)定，又能發(fā)揮出SiC器件板耐高溫的優(yōu)勢，同時有效降低電磁干擾水平，提高系統(tǒng)可靠性。最后應(yīng)當(dāng)采用新型主控算法充分發(fā)揮在控制器中移相，適當(dāng)?shù)窒姍C載波的紋波，同時將工作電壓提高一到兩倍，更好的發(fā)揮SiC器件高電壓的優(yōu)勢，在維持原波形雜波和諧波占比的條件下，極大地減少平波母排電容的大小和損耗甚至可以在優(yōu)化控制器的情況下完全消除[6]。通過以上幾種方式可使得電機驅(qū)動裝置的功率密度從8kW/L提高至30kW/L且仍具備很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

3 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前新型車用SiC材料控制器在極端環(huán)境下的可靠性還在進一步的驗證。SiCMOSFET與硅IGBT材料相比，具有更寬的禁帶寬度、數(shù)倍的臨界擊穿場強、兩倍的電子飽和漂移速率和三倍的熱導(dǎo)率這樣的性能優(yōu)勢，在電氣上具有更高頻、高效、耐高壓、耐高溫等特點取代傳統(tǒng)器件勢不可擋。以當(dāng)前已經(jīng)投入使用的SiC電機控制模塊同傳統(tǒng)硅IGBT模塊系統(tǒng)相比，電機驅(qū)動裝置整體系統(tǒng)的體積可減少至25%，系統(tǒng)重量減少至30%，電能損耗從20%降低至5%，效率達到99%以上，盡管電力元件價格更昂貴，但電機驅(qū)動裝置系統(tǒng)的成本還是顯著降低至65%。從市場上看，SiC電機控制模塊的使用使得整車?yán)m(xù)航里程提升5%以上，配合更好的能量回收制動，數(shù)字控制技術(shù)極大提高車輛綜合續(xù)航水平且遠(yuǎn)未達到理論性能極限，具有很大的發(fā)展前景社會經(jīng)濟效益十分明顯。