解決方案
最新的全球趨勢表明，世界正在迅速轉(zhuǎn)向電動汽車（EV）。因此，各大汽車公司都計(jì)劃將大量生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到電動汽車上。
沃爾沃計(jì)劃到2030年只銷售電動汽車，蓮花汽車到2028年，通用汽車到2035年。此外，像日本這樣的國家計(jì)劃到2025年完全轉(zhuǎn)向電動汽車。
電動汽車最關(guān)鍵的部件之一是牽引逆變器。它直接影響到汽車的行駛經(jīng)驗(yàn)、電池續(xù)航范圍和車輛的整體安全。牽引逆變器的目的是將直流電源從電動汽車電池轉(zhuǎn)換成交流電機(jī)，用于驅(qū)動車輛的推進(jìn)系統(tǒng)。碳化硅基功率半導(dǎo)體的研究越來越多，以提高逆變器效率、開關(guān)頻率、最大允許結(jié)溫和系統(tǒng)功率密度。對于混合動力汽車，采用內(nèi)燃機(jī)冷卻電路冷卻的高集成度逆變器是一個很好的解決方案，這使得額外的低溫電力電子冷卻電路變得可有可無。
本文是基于IEEE的研究論文“功率半導(dǎo)體的表征和可擴(kuò)展建模與Si和SiC器件的牽引逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)”。在這篇文章中，我們的目標(biāo)是研究的特點(diǎn)，比較的方法來計(jì)算熱模型中的功率損耗，并了解所需的功耗和芯片面積為不同的Si和SiC設(shè)備，通過模擬的NEDC車輛設(shè)置參數(shù)。
Si和SiC器件進(jìn)行比較分析的一些參數(shù)是：
1. 功率損耗
2. 設(shè)備建模約束
3. 用于更高頻率的最小芯片面積
I.混合動力電動汽車設(shè)計(jì)中的Si和SiC器件仿真
首先，我們將探討一個混合電動汽車牽引逆變器與Si和SiC器件的最終輸出的系統(tǒng)仿真。
該仿真采用了一個封裝率為TJ(Max)=175?C的汽車動力模塊，典型的內(nèi)燃機(jī)冷卻液溫度為TF=105?C。電機(jī)的損耗決定了電流、電壓和功率因數(shù)等影響因素。采用效率優(yōu)化的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩查找表作為一種快速確定逆變器工作條件的方法。在不改變其電磁設(shè)計(jì)的情況下，考慮了每個直流環(huán)節(jié)電壓的最小相位電流操作機(jī)器.針對混合動力汽車和電動汽車，提出了一種適合于動力模塊冷卻的流體冷卻銷翅片基板。另外還采用了19 mm2 KW的熱轉(zhuǎn)變電阻。
利用MATLAB/Simulink軟件對以非線性電疇損耗模型為反饋的熱疇瞬態(tài)模型的狀態(tài)空間表示進(jìn)行了仿真。
添加了帶換擋的車輛物理模型，以便根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動循環(huán)生成HEV牽引逆變器的任務(wù)配置文件。車輛選擇的模擬是一個2500公斤的HEV-SUV的變速箱集成的永磁同步電機(jī)（PMSM）（32極，500牛米，60千瓦）模擬的操作條件為：
1. 恒定電池電壓：
a.650伏IGBT的350伏電壓
b.1200伏IGBT的700伏電壓
c.700伏換1200伏D-mode-SiC-JFETs
2. 10 kHz開關(guān)頻率
仿真模型結(jié)構(gòu)的簡要概述如下所示。
圖1用于測試Si和SiC半導(dǎo)體牽引逆變器的仿真模型
逆變器和電機(jī)驅(qū)動新的歐式驅(qū)動循環(huán)(NEDC)的效率降低了SiC逆變器的損耗，特別是在部分負(fù)載時。
圖2不同電力電子技術(shù)的逆變器輸出到效率圖
通過時域仿真和瞬態(tài)建模，對功率半導(dǎo)體的可靠性和壽命進(jìn)行了測試，同時考慮了系統(tǒng)的負(fù)載分布和芯片面積的可能重新設(shè)計(jì)。RANFlow算法在熱芯片時域響應(yīng)中的應(yīng)用是計(jì)算封裝在運(yùn)行過程中的熱循環(huán)以估計(jì)壽命的最先進(jìn)的方法。
此計(jì)算表明，芯片面積優(yōu)化的Si和SiC逆變器之間沒有顯著差異。仿真模型也產(chǎn)生功率損耗，從半導(dǎo)體器件的能量消耗計(jì)算。Si和SiC器件的功率損耗為：
圖3各種電力電子器件的仿真輸出
通過NEDC模擬驅(qū)動實(shí)驗(yàn)，與硅器件相比，采用碳化硅器件可使?fàn)恳孀兤鞯哪芰繐p失降低70%，芯片面積減少66%。
Ⅱ.Si與SiC器件的對比分析
除了NEDC模擬，我們還旨在研究不同的Si和SiC半導(dǎo)體器件的特性和比較分析：
1. 器件表征
用外部溫度控制器建立了研究開關(guān)特性的實(shí)驗(yàn)室裝置。柵極驅(qū)動器設(shè)計(jì)為提供±25V的可配置電壓，最大峰值電流為1A。對于SiC-D-J-1200、SiC-E-J-1200和SiC-EOS-1200器件的開關(guān)曲線范圍為：
圖4 SiC-D-J-1200的半橋切換與電壓、電流和結(jié)溫的時間關(guān)系
圖5 SiC-E-J-1200的半橋切換與電壓、電流和結(jié)溫的時間關(guān)系
圖6 SiC-E-MOS-1200的半橋切換與電壓、電流和結(jié)溫的時間關(guān)系
各半橋的關(guān)斷速度相對較快，坡度無顯著性差異。
SiC-D-J-1200在高電流和溫度下的反向恢復(fù)尖峰在SiC體二極管的導(dǎo)通期間變得顯著。其結(jié)果是，由于陡峭的電流斜率，該設(shè)備引入一個適度的振鈴到換向回路中，其達(dá)到關(guān)斷斜率的速度。SiC-E-J1200顯示幾乎沒有反向恢復(fù)行為，由于SiC JB S二極管。一個平坦的電壓斜率的特點(diǎn)是它在接通。這會導(dǎo)致顯著的開關(guān)損耗。的SiC-E-MOS-1200半橋顯示了最快的導(dǎo)通伴隨著最高的反向恢復(fù)尖峰，導(dǎo)致顯著的整流環(huán)路振鈴。
2. 熱特性
下圖顯示了器件的差分面積歸一化導(dǎo)通電阻的熱特性。D模SiC-JFET、SiC-MOSFET和Si IGBT表現(xiàn)出平坦的熱特性。與此同時，E型SiC-JFET顯示在150°C以上的電阻急劇增加。兩極與單極性SiC-JBS二極管相比，硅二極管的微分導(dǎo)通電阻幾乎降低了一個數(shù)量級，處于SiC-FET的范圍內(nèi)。
SiC-JBS-二極管的電壓偏移隨著溫度的升高而減小，與硅器件的所有電壓偏移量一樣。因此，SiC-JBS-二極管的電壓偏移值在1200-V以下，高于650-V硅器件的溫度范圍。
圖7不同器件的電阻與溫度和電壓與溫度
柵驅(qū)動電流隨芯片面積的變化而變化，換流回路的寄生電感呈反比變化。因此，將Si和SiC半橋與相同的晶片面積進(jìn)行比較，表明Si半橋的開關(guān)損耗是Si半橋的5~10倍。
3. 熱損失與半導(dǎo)體芯片面積
圖8不同器件不同芯片面積的功率損耗
上圖顯示了400 V直流鏈路電壓、173 A峰值相電流、175°C最高結(jié)溫和10 kHz開關(guān)頻率下不同芯片區(qū)域在設(shè)定臨界工作條件下產(chǎn)生和耗散的熱量。上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出結(jié)論，半導(dǎo)體器件的最小允許芯片面積由產(chǎn)生的功率和耗散的功率在芯片面積曲線上的交點(diǎn)給出。
對該最小芯片面積進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。此外，還計(jì)算了不同開關(guān)頻率和不同電池電壓下60 kW混合動力汽車電動傳動系統(tǒng)元件牽引逆變器的最小累積晶片面積。
圖9不同開關(guān)頻率和電池電壓下芯片面積與直流鏈路電壓的關(guān)系
為了消除額外的開關(guān)損耗，Si逆變器的開關(guān)頻率越高，芯片面積越小。相反，對于SiC逆變器，只需要稍微增加芯片面積。就同一技術(shù)設(shè)備之間的比較而言，當(dāng)開關(guān)頻率大于5 kHz時，Si-E-I-0650技術(shù)比Si-E-I-1200技術(shù)性能更好。此外，SiC-D-J-1200和SiC-E-MOS-1200由于使用了體二極管，表現(xiàn)出類似的性能，超過了SiC-E-J-1200.
三、結(jié)論
本文提出的NEDC實(shí)驗(yàn)的模擬驅(qū)動結(jié)果表明，Si功率半導(dǎo)體上SiC器件牽引逆變器的能量損耗為70%，芯片面積減少了66%。通過這篇論文，我們也給出了SiC半導(dǎo)體的損耗特性以及與直流環(huán)節(jié)電壓、電流和結(jié)溫的關(guān)系。
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