基于SiC的電動汽車用純電驅動單元研究

孫新函

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208)

0 引 言

《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》明確了汽車技術“低碳化、信息化、智能化”發展方向[1]。預計到2035年，節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展與普及，對加速性能和續航里程的要求不斷提升。加速性能主要受限于電驅動單元的功率，續航里程則主要受限于動力電池的能量密度及電驅動單元效率。在短期內電池能量密度無法進一步突破，因此，尋找一種高功率密度、高效率的電驅動單元來滿足整車需求尤為重要[2]。

電驅動單元作為電動汽車的核心動力部件之一，其發展趨勢是高集成、高功率、高效率，即將電機控制器、驅動電機與減速器進行“三合一”集成[3]。基于對高功率密度與高效率的需求，本文開發了一款純電動汽車用電驅動單元，對該電驅動單元從功率器件選型到整體系統方案加以闡述。分別進行了SiC基和Si基電驅動單元的臺架測試，結果表明SiC基電驅動單元可顯著提升系統輸出功率和效率。

1 SiC功率器件

1.1 SiC材料特性

寬禁帶半導體材料是繼以Si和GaAs為代表的第一代、第二代半導體材料之后，迅速發展起來的第三代新型半導體材料[4]。SiC作為第三代寬禁帶半導體典型代表之一，具備高禁帶寬度、高擊穿場強、高電子飽和漂移速度、高熱導率等優勢，可有效突破傳統Si基半導體材料的物理極限。表1選取了典型的三代半導體材料并對比了其材料特性。

表1 半導體材料特性對比

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，熱導率是Si的3倍。車用電力電子功率器件應用SiC材料，可以帶來更高的器件耐電壓、更低的導通電阻、更高的開關頻率、更低的的結殼熱阻，非常契合車用電驅動單元高功率密度和高效率的技術要求[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、柵極寄生內阻大的缺點，高頻應用存在電磁干擾(EMI)問題，這些都是目前行業面臨的技術難點和挑戰。此外，SiC晶錠生長速度慢，襯底技術門檻高，供應商較少，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模應用的主要瓶頸。

2 SiC基電驅動單元設計

2.1 系統整體方案

本文所述電驅動單元由電機控制器、驅動電機及減速器三部分組成，為“三合一”集成設計。其爆炸示意圖如圖2所示。

圖2 三合一電驅動單元爆炸示意圖

該方案齒軸采用平行軸同軸布置，結構緊湊，驅動電機繞組采用發卡扁線設計，提升功率密度，電機控制器采用800 V高電壓平臺設計，同時在相同外包絡條件下，兼容SiC基與Si基功率模塊。800 V高電壓平臺的設計不僅能夠充分發揮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基電驅動單元主要參數如表2所示。

表2 電驅動單元主要參數

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鍵器件，直接決定整體系統方案。其器件的選型主要考慮技術參數與封裝形式。其中技術參數與母線電壓平臺、峰值電流輸出能力、反電動勢等相關；封裝形式主要考慮電驅動單元的尺寸要求及冷卻需求。經分析并考慮與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基電機控制器結構設計

電機控制器的結構爆炸圖如圖4所示，主要包括電路板、SiC功率模塊、冷卻結構、母線電容、電流傳感器、濾波組件及殼體等。其中控制板與驅動板一體化設計，提高體積利用率并節省接插件和線束，冷卻結構可兼容SiC基和Si基功率模塊，整體倒扣的方案可充分利用空間，提升電驅動單元的體積利用率[9]。

圖4 SiC電機控制器結構爆炸圖

2.2.3 SiC基驅動電路系統設計

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，這就導致秋冬季節高發呼吸道疾病，但并非冷空氣本身致病。

SiC MOSFET與Si IGBT應用最顯著的差異為其驅動電路不同，SiC MOSFET短路保護響應的要求更快[10]，電壓平臺從400 V提升到800 V也對系統提出了更高的電氣間隙和爬電距離要求。本文SiC驅動電路設計系統架構圖如圖5所示，包括驅動板接口、驅動芯片配置電路、驅動芯片保護電路、驅動電源供電電路以及模擬信號采集電路。

圖5 SiC驅動電路系統架構圖

驅動板接口部分包含驅動信號輸入、故障信號輸出、驅動相關數據輸入、驅動相關數據輸出、使能和復位信號、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。

驅動芯片原邊匹配與配置電路主要包含原邊驅動信號處理、供電信號處理、使能和復位信號處理、故障信號處理等。驅動芯片副邊驅動與保護電路主要包含柵極驅動電路、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、米勒效應保護電路等。本文設計采用英飛凌1EDI3031AS芯片[11]。

驅動電源供電電路主要是將原邊12 V供電轉換為副邊驅動電源，驅動電源選擇+15 V和-4 V，供SiC模塊開關同時預留高壓取電備份電源。

2.3 驅動電機設計

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]。轉子結構采用“雙V”結構，并考慮凸極比來提升磁阻轉矩輸出[14]，同時轉子進行輔助槽設計來降低轉矩波動。驅動電機結構爆炸圖及電磁方案設計分別如圖6和圖7所示。

圖6 驅動電機結構爆炸圖

圖7 驅動電機電磁方案

考慮到電壓平臺升級到800 V，設計中采用高耐壓漆包線及絕緣紙，結合SiC MOSFET產生的過沖電壓，利用局部放電起始電壓(PDIV)作為電機絕緣系統的校核參數，選用常溫下漆包線和絕緣紙PDIV≥1 500 V的設計來保證電機整體方案的耐壓性能。

3 電驅動單元臺架測試

根據所設計的電驅動單元進行臺架測試，驅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其效率基本為穩定值，因此本文臺架測試重點關注電機控制器及驅動電機二合一(即驅動電機系統)的結果，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動電機系統的測試。

圖8 電驅動單元臺架實物圖

3.1 外特性測試

為驗證所設計系統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，其中臺架設置電機控制器為液冷，驅動電機為油冷，試驗時給定電機控制器的冷卻水溫為65 ℃，水流量為10 L/min，驅動電機的冷卻回油溫度為85 ℃。圖9給出了Si基和SiC基驅動電機系統的外特性曲線。

圖9 Si基和SiC基驅動電機系統的峰值外特性曲線

從測試結果可知，SiC基驅動電機系統的峰值輸出功率比Si基驅動電機系統的峰值輸出功率最大可提升70%。

3.2 驅動電機系統效率測試

為驗證所設計電驅系統的效率，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基驅動電機系統效率，其中Si基系統峰值效率達95.8%，SiC基系統峰值效率達96.8%。

圖10 Si基和SiC基驅動電機系統效率MAP

3.3 SiC基與Si基驅動電機系統效率測試對比

為驗證SiC與Si對測試的差異影響，本文在保持驅動電機和減速器設計不變的情況下，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基驅動電機系統效率高于Si基驅動電機系統，平均效率可提升2%～3%。

圖11 SiC基與Si基驅動電機系統效率差值MAP

4 結 語

本文通過分析SiC的材料特性的優勢，開發了一種基于SiC的車用純電驅動單元，分別從整體方案、電機控制器方案、驅動電機方案闡述了各子系統設計，最終進行了臺架對比測試。測試結果表明SiC基電驅動單元效率比Si基電驅動單元效率平均可提升2%～3%，且在尺寸不變的情況下，SiC基電驅動單元的輸出功率可大幅提升。SiC基電驅動單元是未來高性能電動汽車的重要應用和發展方向。