走捷徑進行電動汽車牽引逆變器開發(fā)

世界各國政府希望在未來幾年內停止銷售汽油和柴油汽車，有的最早到 2030 年就要停止。據(jù)此，市場研究專家 Statista 預計，未來四年電動汽車市場收入將呈現(xiàn) 17.02% 的驚人年增長率（CAGR），預計到 2027 年市場規(guī)模將達到 8580 億美元。

面對這些預測，可以理解的是，不僅汽車公司，還有各個運輸行業(yè)都在忙于實施數(shù)十年來最大的運營變革，這對電動汽車動力總成設計提出了許多挑戰(zhàn)。對于大多數(shù)汽車工程師來說，電動汽車動力總成技術代表著新的領域，需要大量資源和時間來創(chuàng)建安全高效的解決方案。碳化硅（SiC）正是在這方面發(fā)揮了主要優(yōu)勢。

電動汽車技術方面顯而易見又被忽略的事實當然是里程焦慮。雖然這里的重點是電池容量，但動力傳動系統(tǒng)和汽車系統(tǒng)電子設備也必須證明是高效的，并且能夠在苛刻的條件下實現(xiàn)大功率最佳性能。正如許多權威機構所確認的，這就是 SiC 受到關注的原因。例如，英國先進推進中心，從硅電力電子設備轉換為基于碳化硅的電力電子設備可以提高約 10% 的效率。

SiC 的特性還使設計人員能夠創(chuàng)建尺寸、重量和形狀系數(shù)大幅減小的電源系統(tǒng)。盡管有這么多好處，工程師應該注意，使用 SiC 進行設計與使用傳統(tǒng)的硅 MOSFET 或 IGBT 不同。大多數(shù)細微差別涉及特殊技術的使用，這些技術有助于高速開關時的安全操作。

為了降低工程資源成本并縮短上市時間，需要完全集成的解決方案。CISSOID 的 SiC 牽引逆變器開發(fā)平臺滿足了這一需求，支持高達 850V/350kW 的傳動系統(tǒng)設計。該參考設計的核心組件包括： 三相 1200V 智能功率模塊（IPM），具有強大且耐高溫的柵極驅動器，針對 SiC 應用進行了全面優(yōu)化；電機控制板和可定制軟件；直流和相電流傳感器、緊湊型液體冷卻器；專門設計的高密度直流支撐電容器和 EMI 濾波器。

圖 1.CISSOID 高壓 SiC 逆變器參考設計

這些嵌入式構建組塊中的每一個都在提供平臺的全面功能和模塊化方面發(fā)揮著重要作用。

CISSOID 的三相液冷 1200V SiC MOFSET IPM（圖 2）可充分發(fā)揮 SiC 技術的優(yōu)勢，通過低開關損耗和高溫運行幫助開發(fā)人員實現(xiàn)大功率密度。CISSOID 的 SiC IPM 產(chǎn)品組合采用模塊化設計來滿足不斷變化的電壓/電流要求，包括最大持續(xù)電流能力從 340A 到 550A 的模塊。IPM 由三個碳化硅 MOSFET 半橋組成，與最先進的 IGBT 功率模塊相比，開關損耗至少降低了三倍。

圖 2.CISSOID 的三相 1200V 340A-550A 智能功率模塊（IPM）

為了充分利用快速開關和低損耗 SiC MOSFET，工程師需要快速、強大且穩(wěn)健的柵極驅動器。將柵極驅動器與功率模塊集成在一起，就開關速度和損耗、針對 dI/dt 和 dV/dt 的魯棒性以及功率級的保護而言，可以直接獲得經(jīng)過充分驗證和優(yōu)化的解決方案。

CISSOID 的優(yōu)化柵極驅動器提供超過 10A 的高峰值電流，同時還提供高達 125℃ 環(huán)境溫度下的運行能力。簡而言之，優(yōu)化的柵極驅動器有助于最大限度地減少提供完美模塊性能和熱管理所需的迭代次數(shù)。

SiC 電源模塊能夠更快地開關并以更高的頻率運行，因此必須采用能夠更快地運行實時算法的控制器技術。

CISSOID 基于芯力能（Silicon Mobility）公司的 OLEA? T222 FPCU，開發(fā)了一款控制板，可為汽車電機控制應用提供實時處理、控制和功能安全（獲得 ISO 26262 ASIL-D Ready 功能安全證書）?？刂?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%A1%AC%E4%BB%B6/">硬件和軟件有效地處理來自電機位置、電流和溫度傳感器的信號。值得注意的是，控制板和 IPM 之間的機械和電氣集成消除了開發(fā)人員道路上的另一個障礙。

該平臺集成了芯力能公司的 OLEA APP INVERTER 控制軟件（圖 3），而工程師可以使用 OLEA COMPOSER 設計工具來縮短開發(fā)和優(yōu)化電機控制軟件所需的時間。

圖 3.芯力能公司的 OLEA APP INVERTER 控制軟件

還有兩個設計要點值得注意。第一，CISSOID 提供 3D 打印冷卻器參考設計，用于冷卻和快速評估電源模塊（圖 4）。第二，CISSOID 與 NAC Semi 和 Advanced Conversion 合作創(chuàng)建了一種電感和 ESR 非常低的高密度直流支撐電容器，為開發(fā)人員提供充分的自由度來利用 SiC MOSFET 的快速開關能力。

圖 4.CISSOID 的 SiC 逆變器平臺包括 SiC IPM、控制板、緊湊型液體冷卻器和低 ESL 直流支撐電容器

最終，CISSOID 獨特的硬件和軟件模塊化平臺讓開發(fā)人員能夠在短短幾個月內開發(fā)高度緊湊、高效且極其安全的 SiC 牽引逆變器或有源整流器。與傳統(tǒng) OEM 時間表相比，這可以節(jié)省一到兩年的 SiC 逆變器開發(fā)時間。