背景

匯川聯(lián)合動(dòng)力始終致力于技術(shù)創(chuàng)新，持續(xù)優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率，為終端用戶提供續(xù)航里程提升的卓越體驗(yàn)。2022年9月，公司成功量產(chǎn)了應(yīng)用于整車800V電氣架構(gòu)的碳化硅(SiC)電機(jī)控制器，助力整車?yán)m(xù)航里程提升4%以上，開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)廠商將1200V SiC器件應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的先河。盡管SiC器件帶來(lái)了效率上的飛躍，但其高昂的成本卻成為大規(guī)模普及的絆腳石。

匯川聯(lián)合動(dòng)力歷時(shí)一年多進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)和產(chǎn)品研發(fā)，于近日推出了采用Si和SiC混合功率模塊的電機(jī)控制器產(chǎn)品——PD4H混碳電控，為客戶提供了兼具高性能與高性價(jià)比的理想選擇。

01產(chǎn)品詳解

PD4H混碳電控基于第四代電機(jī)控制器平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用英飛凌新一代的IGBT和SiC MOSFET混合模塊，優(yōu)化并利用EDT3 IGBT 和Gen2 SiC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得兩種芯片性能兼容匹配，發(fā)揮不同芯片在不同工況下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，具備效率高、兼容性強(qiáng)、性能強(qiáng)勁等特點(diǎn)，其峰值功率可覆蓋150~250kW的動(dòng)力總成系統(tǒng)，滿足A/B/C級(jí)轎車、中大型SUV和MPV等多種車型的動(dòng)力輸出要求。當(dāng)前該產(chǎn)品已完成A樣的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證。

PD4H混碳電控

PD4H混碳逆變模組

憑借在電控產(chǎn)品領(lǐng)域Si IGBT和SiC MOSFET器件應(yīng)用的深厚積累，以及對(duì)電驅(qū)產(chǎn)品與整車應(yīng)用場(chǎng)景適配的深刻洞察，匯川聯(lián)合動(dòng)力充分挖掘混合器件在電應(yīng)力和熱應(yīng)力方面的邊界應(yīng)用能力，使得PD4H混碳電控具有以下優(yōu)勢(shì)：

1、效率高

PD4H混碳電控CLTC工況實(shí)測(cè)效率高達(dá)98.5%，較采用同代Si基器件的電機(jī)控制器效率提升1.5%?；焯茧娍氐母咝实靡嬗谄鋬?yōu)異的動(dòng)靜態(tài)特性。

Si-SiC混合功率模塊的靜態(tài)特性

由于在傳統(tǒng)Si基功率開(kāi)關(guān)器件中加入了部分SiC芯片，其小電流段因此具備了SiC的低導(dǎo)通損耗特性，與Si器件相比，在150A條件下導(dǎo)通損耗降低了約23%。此外，SiC更快的開(kāi)關(guān)速度也降低了開(kāi)關(guān)損耗，最高在150A條件下降低約35%。

導(dǎo)通損耗對(duì)比

開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比

PD4H混碳電控為客戶在效率和成本之間提供了優(yōu)秀的解決方案，其成本較全部采用SiC器件大幅下降，在工況效率僅損失0.3%的情況下，依然可以為整車帶來(lái)約3%的綜合續(xù)航里程提升，從而有效地降低了電池成本。

基于CLTC工況的整車收益

2、兼容性強(qiáng)

PD4H混碳電控產(chǎn)品功率模塊采用的是標(biāo)準(zhǔn)HPD封裝，與當(dāng)前主流的Si和SiC模塊的封裝保持一致，其逆變模組采用電容、功率磚和控制板疊放的結(jié)構(gòu)，尺寸僅為190×150×90mm，外部接口完全兼容當(dāng)前匯川聯(lián)合動(dòng)力的逆變磚、三合一和多合一等產(chǎn)品，便于客戶在現(xiàn)有產(chǎn)品上直接替代升級(jí)以降本提效。

混碳逆變模組尺寸

在應(yīng)用電路設(shè)計(jì)上，PD4H混碳電控產(chǎn)品既支持兩路驅(qū)動(dòng)獨(dú)立控制Si和SiC的方案，也兼容一路驅(qū)動(dòng)同時(shí)控制Si和SiC的方案，后者可適配當(dāng)前主流的驅(qū)動(dòng)芯片，無(wú)需開(kāi)發(fā)專用的驅(qū)動(dòng)芯片，其硬件電路設(shè)計(jì)、軟件控制策略與匯川聯(lián)合動(dòng)力當(dāng)前產(chǎn)品兼容，具有較高的成熟度，在現(xiàn)有產(chǎn)品上無(wú)需做過(guò)多的設(shè)計(jì)更改即可升級(jí)。

3、性能強(qiáng)勁

得益于匯川聯(lián)合動(dòng)力深厚的功率器件邊界應(yīng)用能力，通過(guò)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)和控制策略保證了Si和SiC芯片的均溫，且器件結(jié)溫支持長(zhǎng)時(shí)175℃工作，PD4H混碳電控峰值功率可達(dá)250kW，對(duì)應(yīng)的母線電壓范圍覆蓋210~485VDC，電動(dòng)工況下峰值電流可達(dá)620Arms。下圖為PD4H在485V母線電壓、620Arms相電流和65℃冷卻液溫度條件下的混合模塊實(shí)測(cè)溫度云圖。

實(shí)測(cè)溫度云圖

02、關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)

功率模塊中Si與SiC器件的混合應(yīng)用，增加了驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和軟件控制的復(fù)雜性，但同時(shí)也為驅(qū)動(dòng)參數(shù)和控制策略適配設(shè)計(jì)提供了更多的自由度。這是發(fā)揮混合模塊優(yōu)勢(shì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)所在。匯川聯(lián)合動(dòng)力以工匠精神精心打磨混合模塊應(yīng)用設(shè)計(jì)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，精益求精，旨在充分發(fā)揮混合器件的強(qiáng)大性能，并兼顧混合器件應(yīng)用的可靠性。

1、更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)匹配

Si-SiC混合模塊采用了Si-IGBT、SiC-MOSFET和Si-FRD三者并聯(lián)的方案。其中，MOSFET與IGBT在開(kāi)關(guān)速度和導(dǎo)通壓降上的協(xié)同，以及FRD與MOSFET體二極管的協(xié)同，是驅(qū)動(dòng)參數(shù)匹配的技術(shù)難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)混碳模塊的驅(qū)動(dòng)參數(shù)時(shí)，我們主要從以下三個(gè)方面進(jìn)行考慮：

?  驅(qū)動(dòng)電壓的選擇需要平衡模塊在短路時(shí)的耐受能力與低導(dǎo)通損耗之間的矛盾；

?  驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)需兼顧全溫域、全電流范圍內(nèi)FRD的振蕩特性，以及MOSFET體二極管的反向恢復(fù)特性；

?  IGBT和MOSFET的開(kāi)關(guān)延時(shí)設(shè)計(jì)需兼顧各器件的電流/電壓耐受能力與低開(kāi)關(guān)損耗的需求。

開(kāi)通過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程

2、更靈活的控制策略

Si-SiC混合模塊存在兩條控制通路，即IGBT+FRD通路和MOSFET通路。兩條控制通路損耗、熱阻的差異，以及控制的獨(dú)立性，使得模塊控制策略與整車工況適配的優(yōu)劣成為了混合模塊應(yīng)用的關(guān)鍵。PD4H混碳電控具備更靈活的控制策略，主要體現(xiàn)如下：

?  結(jié)合整車工況，調(diào)整IGBT和MOSFET的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和時(shí)序，兼顧低損耗和器件電應(yīng)力耐受，實(shí)現(xiàn)了效率的提升；

?  調(diào)節(jié)IGBT、MOSFET和FRD的導(dǎo)通時(shí)間比例，保證了各器件的相對(duì)均流和絕對(duì)均溫，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)勁的電流輸出能力；

?  靈活切換控制通路，實(shí)現(xiàn)一路控制通路異常時(shí)的整車跛行控制，減少了整車拋錨的概率。