面向大功率芯片散热的电动汽车电机控制器结构优化

热设计 2023-11-13

来源：时代汽车

作者：陈志飞

摘要：在当下的实际应用中，特别是电动汽车领域，由于该领域的快速发展导致功率半导体器件需要更高的性能要求。自功率半导体诞生以来，技术人员主要致力于提高元件的耐压耐温、开关频率、通流能力等性能，然而硅元件性能受限于基地材质，该材质存在明显的上限，目前的硅功率半导体的性能基本接近上限，难以满足当前及未来电动汽车电机控制器对效率，功率密度，体积，可靠性等方面的需求。这些问题的存在使得行业积极转向采用前沿技术：采用性能更加优异的碳化硅（SiC）功率半导体器件代替传统的硅（Si）功率半导体器件进行电机控制器设计。

关键词：SiC　电动汽车　电机控制器　结构优化

1 行业发展现状

国内电动汽车产业始于21世纪初期，在2006年开始尝试实现混合动力汽车产业规模化，并开始逐步拓展至纯电动汽车的生产范围[1]。当时的专家团队就电动汽车的车用动力蓄电池、驱动电机、燃料电池、电力电子设备等关键零部件的总体集成和技术研发进行了大规模的攻关，促进产学研结合，从而奠定了现今中国在电动汽车领域发展的基础。随着产业不断竞争和整合，电动汽车因其发展迅猛，效果显著，性能优异，技术可靠等优点，迅速成为了国内最主流的一种电动汽车产品。电动汽车顾名思义—指利用电能驱动车辆运行，首先通过高性能电池储存并输出电能，然后由电机驱动装置将能量精确控制并分配至驱动电机-轮毂系统从而实现车辆运行的方式。由于这个方向与传统汽车行业相比差别较大，国外的领先程度也不高，同时由于行业蓝海阻力小，没有存在明显的行业专利壁垒和垄断，国内技术创新发展迅速，使得我国后发优势得到了充分的体现。2013年实现了高功率硅IGBT器件国产化，2016年达到世界先进水平，我国电动汽车得以能够同欧美企业同台竞技[2]。

2 电动汽车电机驱动系统的研究

2.1 电力驱动装置应用需求

随着技术的不断发展在电力驱动系统中的电动机已经从传统的直流电机、交流异步电机发展到了同步磁阻电机、永磁电机等效率高、体积小、功率密度大的新型电机产品。相比于传统驱动电机，新型电机具备体积小，功率大，成本低，控制精度高的优势。传统电机控制系统简单响应性能虽然不错，但由于体积、成本、效率等因素导致了其无法同新型电动机在电动汽车这个行业上竞争，而新型电机是因为采用了先进的电机驱动装置才能发挥出新型电机的性能。

电动汽车要走进千家万户，首先得能够保证行业能自行发展，稳定盈利，那么必然会面临着一个国家政策补贴减少和完全取消这样一个严峻的考验。当国家的政策扶持逐步取消以后，什么样的产品才能卖出合适的价格？才能让市场接受？才能走进千家万户？首先是价格，要能够让普通消费者买得起，然后是与同竞争对手燃油汽车相比要跑得里程要长续航能力强，再者安全系数一定要高，最后是智能化水平要领先。而电机驱动装置，作为电动汽车三大核心技术之一，其性能的好坏直接决定了车辆的总体指标。因此对电机驱动装置的要求就是成本低，效率高，体积要小，环境适应性强，容忍性强。那么就需要具备高功率密度、能耐受高温、不惧低温、电气控制性能好、抗电磁干扰能力强或者容易控制、过载运行能力强、过负荷倍数要突出、控制容易且精确稳定和综合系统性能强等特点。只有这样才能在产品端表现出优势，才能具有较强的行业竞争力。

2.2 传统电机驱动控制器研究

随着电力电子技术水平迅速发展得到进一步的提升以及各种先进高性能微处理器，其控制和功能日趋丰富而强大，电机驱动的自动控制系统设备已实现完全数字化控制，产业也迅速朝着集成化、模块化的方向发展。

电力驱动装置这种集成系统由多个模块组合而成，传统的电力驱动装置采用硅IGBT作为电流的控制元件，普通硅器件结温目前已达到150℃，接近硅材质的上限，并且元件在工作温度大于80℃后就会出现显著的性能降低、芯片载流能力下降、开关波形不稳定、毛刺增加等问题，这要求提供更大的驱动电流，同时增加了对控制电路的压力。为满足车辆控制的可靠性要求，往往需要散热系统和驱动控制系统，形成较大的系统冗余，且硅IGBT本身也存在一定程度的模块冗余。这导致集成系统体积硕大、成本高昂且性能一般，主要用于对设备体积不敏感的场所例如高铁、电动公交等[3]。

从占用体积角度分析，为保证散热，集成系统采用循环水冷系统直接接触芯片的方式带走热量，但因为水冷液正常工作温度在50-90摄氏度范围，硅IGBT元件的可靠工作温度与冷却介质温差较小，需要极高的传热能力才能保证热量的快速转移。但为了保证系统安全可靠，在高频振动下稳定、不老化，电子元器件必须与冷却介质完全隔离，不能采用常规民用产品，直接接触冷却和液体表面冲击冷却。因此，中间层的传热介质只能是铜制热管或纯铜均热板，其成本相对高昂而且需要较大的接触表面积来保证热量的快速转移，这导致水冷系统水道复杂、成本高、体积大近乎占据整个模块约40%。为保证开关波形的稳定，必须保证在最恶劣工况下IGBT驱动元件电磁干扰要尽量小，不会因为大电流导致纹波异常，引起错误的开关动作。通常采用三相桥式逆变电路的IGBT系统，为保证最终输出波形能接近正弦波需要采用PWM高频开关，配合续流元件和平波电容从而实现波形整理。而传统硅IGBT模块因工作温度导致的性能劣化且由杂波引起的稳定时间延迟导致系统开关频率较低，仅有30kHz左右，这导致在输出正弦波驱动电流时PWM波形频率太低需要很大的平波电容才能实现设计目标。这些电容组统称为母排电容，集成后也占用了较大体积，且因为电容数量众多，导致工作电压也较高而能采用的PP膜电容仅具有较好的低频性能[4]。杂波的尖锐波形形成的高次谐波会导致母排电容组的损耗增加，发热量很大。传统的集成系统工程设计是采用定制电容器，封装外壳直接与散热模组连接，通过循环水冷系统带走热量。因此母排电容及其附属配件占用了整个模块约45%，成本是难以降低。

去除以上两部分组件，真正用于电机驱动的核心部件IGBT模组和控制电路的体积只占整个模块的15%，虽然这部分占成本比例高，但由于国产化元器件进度很大，更新换代速度较快。因此成本下降速度很快，属于创新竞争的关键环节。可以根据市场定位选择合适价格的元器件。而其余的散热系统和母排电容系统的成本和占用体积几乎无法减少。这严重影响产品的竞争力。

2.3 SiCMOSFET驱动元件替代硅IGBT元件设计

硅IGBT与SiCMOSFET驱动芯片两者电气参数特性差别较大，对驱动的要求也不同，主要体现在以下几个方面，见表1。

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从开通、关断控制电压来看，相比于传统硅IGBT，采用SiC器件需要更高的开通电压，但关断电压可采用0V，这极大简化了控制电路的设计，不需要额外的负压电路。对比电磁干扰的耐受性能CMTI，碳化硅MOSRET也显著强于传统硅IGBT，能实现更高的可靠性同时简化驱动电路设计[5]。

从开关时间来看，开关时间的成倍缩短能大大减少系统在导通与关断之间切换过程的时间，过程时间越短，则过程状态下的开关损耗就越小，显著降低的开关损耗极大降低高频运行下的发热。同时导通电阻的降低也能减少通流损耗，低频、大电流下的发热也能显著减少。综合各种运行工况来看，作为电流控制的关键环节，任意一种损耗的减小均能大幅提高系统运行效率。

从开关频率方面来看，通常硅IGBT的应用开关频率不大于40kHz，而SiC开关频率通常在100-200kHz，相对来说得到大幅提升，在用于PWM驱动产生正弦波输出的过程中能够有效优化波形，能降低对母排电容的容量要求，大幅降低输出毛刺和抖动，可以减少母排电容的发热损耗。

从SiC材料本身的材料性能方面来看，其器件结构具有天生的耐高温能力，本身热导率性能优越，是硅材料的三倍，在真空条件下甚至可耐受高达400-600℃的高温，在实际工业应用中，为了防止接触空气氧化、保证系统可靠性稳定性，SiC器件必须有车规级封装，当前耐高温封装中，150℃结温是业界目前的最高执行标准，而200℃乃至更高耐温的封装还在定制化设计之中，潜力深厚具有非常广阔的发展前景。

从SiC材料本身的物理性能方面来看，SiC半导体器件具有很宽的禁带宽度，属于第三代半导体材料，临界击穿电场强度是硅材料的近十倍，这使得更高元器件工作电压成为了可能。目前的产品中传统硅IGBT产品工作电压约450V-800V，而已投产的车用SiC器件工作电压可达1200V-3300V且仍具备较大提高的空间。这样可使得同等功率下高电压小电流驱动成为了可能，电流的减小能显著降低杂散电感和电磁干扰的影响，且能大幅降低线路损耗与发热。

为更好的发挥SiC器件的特点和优势，需要对现有电机控制器进行大量优化和改进。首先控制主系统必须具备更小的延迟、更高的开关频率和更短的保护动作时间。这需要采用更先进更高频率的SOC片上系统，才能发挥SiC器件高开关频率、低损耗的优势。其次SiC器件损耗低、发热量小且耐温高，这些优越的性能组合起来使得SiC热传导速度极大提高、热密度提高、冷却系统大幅减小。采用单独的耐高温开关板设计，将所有SiC器件集成到一起，采用光触发技术同控制板完全隔离，工作温度为150-200℃。这既保证常规控制板工作温度稳定，又能发挥出SiC器件板耐高温的优势，同时有效降低电磁干扰水平，提高系统可靠性。最后应当采用新型主控算法充分发挥在控制器中移相，适当抵消电机载波的纹波，同时将工作电压提高一到两倍，更好的发挥SiC器件高电压的优势，在维持原波形杂波和谐波占比的条件下，极大地减少平波母排电容的大小和损耗甚至可以在优化控制器的情况下完全消除[6]。通过以上几种方式可使得电机驱动装置的功率密度从8kW/L提高至30kW/L且仍具备很大的发展潜力。

3 结语

综上所述，当前新型车用SiC材料控制器在极端环境下的可靠性还在进一步的验证。SiCMOSFET与硅IGBT材料相比，具有更宽的禁带宽度、数倍的临界击穿场强、两倍的电子饱和漂移速率和三倍的热导率这样的性能优势，在电气上具有更高频、高效、耐高压、耐高温等特点取代传统器件势不可挡。以当前已经投入使用的SiC电机控制模块同传统硅IGBT模块系统相比，电机驱动装置整体系统的体积可减少至25%，系统重量减少至30%，电能损耗从20%降低至5%，效率达到99%以上，尽管电力元件价格更昂贵，但电机驱动装置系统的成本还是显著降低至65%。从市场上看，SiC电机控制模块的使用使得整车续航里程提升5%以上，配合更好的能量回收制动，数字控制技术极大提高车辆综合续航水平且远未达到理论性能极限，具有很大的发展前景社会经济效益十分明显。