800V SiC电驱系统分析-绵羊汽车生活记录

交通运输行业的环球电气化必要开垦高效且具有本钱效益的电气化动力体例办理计划。牵引体例中 800 V 的使用完成了迅疾充电的上风，并能够淘汰导体的横截面积以降

交通运输行业的环球电气化必要开垦高效且具有本钱效益的电气化动力体例办理计划。牵引体例中 800 V 的使用完成了迅疾充电的上风，并能够淘汰导体的横截面积以低重重量和本钱。

因为电池已经是电驱动体例的最要紧本钱组成，于是以最高效的办法操纵电池供应的能量是很紧要的，从电能到呆滞能的转换成果即电驱动体例成果就显得及其紧要。为了进步成果，务必淘汰功率损耗：

有目共睹，SiC功率器件比硅Si更高效，由于轻载导通损耗和开合损耗都更低。SiC身手可完成更高的开合频率，从而通过低重谐波损耗来进步电机的成果。

纯电动汽车 (BEV) 的凯旋取决于两个要紧方面。汽车的置备本钱和客户可用性。BEV 的电池续航里程已经是客户可用性最紧要的特色之一。

电池续航里程界说了每次电池充电的最大行驶隔断和长途旅行的充电韶华。这两个圭表都市受到牵引体例电压秤谌的影响。更高的 800 V 体例电压而不是 400 V 的通用电压容许正在恒定电缆横截面下更速地为电池充电（大功率充电、超迅疾充电）。

IGBT用作逆变器中的开合元件，正在 800 V 的电压下显露出成果劣势，由于IGBT开合损耗太大。

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SiC‑MOSFET的使用，能够满意正在高电压平台下高开合频率的高效上风，以及高压摆率 (dv/dt) 。更高的开合频率低重了电机的谐波损耗。于是，SiC是通往更高体例电压的环节身手。

假使能够找到电机和逆变器的两条随开合频率相反运行的损耗弧线之间的最佳均衡，则 WLTP 体例级（800 V Si 体例与 800 V SiC 体例比拟）的成果大概进步 4 % 至 8 %）

于是，更高的成果能够完成正在电池容量类似的环境下更长的里程，或者正在电池容量低重的环境下发作里程稳定。于是，进步成果是优化 BEV 本钱的最大程序。SiC 身手使用带来的是体例本钱上风，由于它们能够节减更众的电池。

以下基于前大陆动力总成具有 SiC MOSFET 的 800 V 的EMR4 的电力电子掌握器（逆变）来说明。

正在电机运行时候，逆变器将电池供应的直流电压转换为迅疾脉冲电压。该脉冲电压会发作谐波互换 (AC) 电流。互换相电流发作转子跟从的转动电磁场。通过这种办法，脉冲电信号慢慢亲近匀称正弦波形（40 kHz 及更高）的最佳值，高频损耗减小。电流的频谱变得“更整洁”，从而淘汰了以发烧方法显示的谐波损耗。

跟着开合频率的减少，电机谐波损耗Ph,total 慢慢淘汰，因此总电机损耗 PL,EM,total 慢慢向纯朴弦电流波形发作的铁损值收敛 PL,total （秤谌虚线）

。显示的图表是电机高分别率 FEM 模仿的结果。灰色标志频率区域的频率合系功率损耗的正确性相看待20kHz之前要低，因为仿线us。

逆变器总损耗 PL,PE,total 由导通损耗PL,cond和开合损耗 PL，SW 构成，开合损耗随开合频率线性减少。同时，该半导体的导通损耗不受开合频率的影响。于是，逆变器总损耗估计会跟着开合频率的减少而线性减少，与开合损耗的减少类似，睹图2。

上述说明根源是一个 800 V 体例，逆变器中操纵了 SiC MOSFET。特色弧线呈现了 SiC 身手正在逆变功率模块中的环节功用，举动完成最高体例成果的环节成分。图2 进一步解说，体例级的最佳开合频率务必界说为进步成果（均衡点）的影响成分。

与Si逆变比拟，SiC逆变身手的整体潜力基于开合频率和压摆率高10倍的大概性。图3演示了电压压摆率 (dv/dt) 对逆变损耗的影响。

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带有 SiC MOSFET 的高效 800 V 牵引体例确当前开垦探求了何如正在不发作格外的搅扰的环境下操纵 SiC 身手的潜力（参睹第 3 章和第 4 章），为了足够表现 SiC 身手的潜力，务必探求体例正在高开合频率和高电压压摆率下的电磁兼容性 (EMC) 以及噪声振动 (NVH) 题目。如图2所示，更加是较低的开合频率对 NVH 具相合键影响。EMC正好相反，较高的开合频率和压摆率会导致更众的搅扰。

当今最先辈的 400 V Si‑IGBT 逆变正在 8 至 10 kHz 的开合频率下运行。电压压摆率往往高达 5 kV/µs。图 4 显示了单个逆变体例 (Si / SiC) 的区别以及不同输出功率下发作的损耗。累积的总功率损耗分为开合损耗和导通损耗。

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古板 Si 身手和 SiC 身手正在 800 V 下的总功率损耗之间存正在明显区别。该图证据了 800 V 电压只可与 SiC 半导体一块操纵。

评估逆变器的决议性成分是驱动体例正在 WLTP 轮回工况下的成果。图 5 解说了逆变器对 WLTP 中体例成果的影响。条形图的黄色局部显示了 800 V SiC 相看待 800 V Si 办理计划的上风——

假使正在这两种环境下都只使用了 10 kHz 的开合频率和 5 kV/µs 的电压压摆率。装备 SiC 半导体的逆变大概会正在更高的频率和转换率下运行（类型值：开合频率：10 … 40 kHz，dv/dt：5 … 50 kV/us）。左侧的第二个栏图 5 显示了假使将 Si 逆变用于800 V 体例，损耗将何如变动。

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图1 – 5所示SiC身手正在差异方面的更高成果是基于嵌入正在硅中的碳原子正在原料基体中的高载流子迁徙率。

因为导通电阻低，正在SiC半导体中发作的热吃亏很低。这容许更高的开合频率，紧凑的封装空间和淘汰功率模块的冷却才具需求。于是，SiC半导体比Si半导体必要更小的封装空间，能够完成更高的功率密度。

正在此日的汽车牵引逆变器(400 V体例电压秤谌和高达10 kHz的开合频率)低损耗硅IGBT与一个并联的二极管(自正在运转分裂回流到电池)。反向电压(反电势)正在650…750之间时，IGBT必要较量纷乱的掌握，但因为正在额定电压下的高成果，它就像“完好的开合”相通事务。Mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管:粗略地说:电压掌握电阻)更容易掌握。正在Si基半导体原料根源上，正在开合经过中Mosfet比硅IGBT有更高的电阻(R)(R正在漏/源上= Rdson)。

正在400 V时，较高的硅MOSFET功率损耗仍然不对用，正在800 V时，它们被解除正在选项以外(睹图5)。硅MOSFET的反向耐压越高，其Rdson越高。正在600v电压秤谌以上，这种特征对合座成果有宏伟影响。别的，还务必探求正在更高电压下减少的冷却本钱。

正在4H衬底(极高载流子迁徙率的四元矩阵)中操纵SiC身手的Mosfet正在开合经过中显露出比操纵Si身手更高的成果。低Rdson的上风是SiC MOSFET半导体正在800 V逆变器使用的要紧来因。

较宽的带隙和较低的轮廓电阻上较高的击穿电压，容许以较高的压摆率切换高电压，以上这些都是SiC的原料上风。因为更低的Rdson，开合损耗较低，能够使用较高的开合频率，睹图6。

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SiC比Si具有更高的导热系数，这为热损耗的更好传导散热供应了大概。同时，SiC半导体能够正在更高的温度下事务。以上这些这就供应了逆变器打算央求的高功率密度条目。

归纳说明解说，SiC能够进步逆变器的成果，低重开合损耗，淘汰封装体积，淘汰冷却才具，进步事务温度，淘汰功率模块的重量。

与400V Si逆变器比拟，400V SiC逆变器能够打算得尤其紧凑。800V SiC逆变器必要更大的体积，由于爬电隔断和电气间隙央求更大。

规矩上，SiC身手的上风也能够与400V体例团结操纵，但惟有正在逆变器中智力完成成果上风。格外的上风，如超高速充电必要更高的电压。为了探求SiC的上风，正在整车上对一个400V SiC逆变器样机举办了测试。采用SiC身手的800V逆变器目前正处于测试阶段。

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通过减少压摆率dv/dt能够低重开合损耗。与硅比拟，该身手具有更大的潜力，由于换相电道中较高的转频率和可调解的杂散电感低重了功率损耗。这就必要优化栅极源电道中的杂散电感。因为换相电道中极低的杂散电感的完成本钱相对较高，于是正在体例级上界说均衡的dv/dt是优化的一局部

正在必定的dv/dt下模仿杂散电感。团结开合频率的减少，能够模仿一个WLTP周期的总功率损耗。正在5…20kv /µs压摆率边界内，杂散电感处于较低秤谌时，对WLTP损耗是显著的。

有目共睹，高频开合经过会惹起电磁搅扰。为了正在牵引逆变器中使用碳化硅Mosfet，务必探求高开合频率和压摆率与高障蔽和滤波成效之间的衡量。图8显示了开合频率加倍(10 kHz到20 kHz)对类型丈量中的搅扰频和搅扰强度。正在20kHz时，搅扰强度减少约6dB。仅仅进步开合频率并不行取得最优办理计划。务必探求SiC的最优掌握参数，这将使体例具有优越的电磁兼容职能条目下，正在大概的开合频率下可承受的开合损耗取得最佳的成果减少。

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800V使用的一体化高效电驱动的开垦根源是大界限系列出产的EMR4电机体例。EMR4将比EMR3有更大的可扩展性，更众大概的子组件组合(举动800V逆变器选项)。别的，互连打算将尤其圭表化，互连的可扩展性也将进步。更加是正在低功耗使用中，拼装空间将会淘汰。与EMR4打算比拟，通过改造互连打算，800V电机的线圈数目减少了一倍。

第3章的功率损耗说明解说，正在类似的冷却才具下，SiC mosfet不妨完成更速、更屡次的开合。较高的开合频率能够进步电机的成果。开合频率越高，谐波电流越小。于是，减少开合频率能够低重逆变器供应的谐波输入功率。

图9正在功率流图中演示了前面一节中描画的方面。往往的功率流(灰色)从输入功率，通过气隙功率，到轴上的呆滞输出功率。定子和自后的转子的功率吃亏是通过散热通报的。血色表现的是所有转化为热量而不影响呆滞功率的谐波输入功率。采用碳化硅身手能够低重800V电机的谐波损耗。

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有目共睹，变频供电的电机比由恒定频率的正弦波供电的恒速运转的电机应力更大。图10显示了迅疾开合逆变器对电机形成的格外影响。

固然逆变器供应的上升韶华很短的高频电压脉冲为高效体例创造了根源，但这些脉冲减少了对电机的压力。更加是正在高输出功率时，能够窥察到最高的压摆率。

体例打算的方向是正在低谐波损耗和因为高开合频率和压摆率而减少的绝缘体例央求和电机的操纵寿命之间找到适合的均衡。这两个方面的最佳均衡对碳化硅牵引体例的打算具有紧要事理。

电机的绝缘体例务必承袭过冲电压，这是因为800V的电压秤谌与高开合频率和dv/dt的团结而发作的。

电机和逆变器输出端子之间的电缆长度务必打算得尽大概短，以抗御因为反射电压波而发作格外的电压过冲。

因为这种合连，电压上升韶华不行按必要遴选得那么高。这意味着要开垦 EMR4 的 800 V平台，务必探求绝缘体例的行动和操纵寿命。

高电压峰值会导致限度放电，由于峰值电压（比方导体和叠片之间的电压）能够到达正在软弱点摧残绝缘体例的秤谌(PDIV题目)。

这会导致绝缘体例正在短韶华内爆发阻滞。发作的电流会对绝缘体例产成长远应力。结果，体例升温并老化。

别的，调速电机中存正在正在逆变器运转下惹起高频轴承电流的题目。这些网罗由电机轴末梢电位差惹起的轮回电流（轴、轴承、定子、定子外壳、轴承、轴），以及电容性轴承电流（也称为 dv/dt 电流）和放电因为共模轴承电压 Ub 的韶华变动而发作的放电(EDM) 电流。

当轴承润滑剂的润滑膜容量限度击穿时，EDM 电流正在高振幅放电电流峰值时显示。正在汽车范畴，EDM 电流被以为与本质使用合系。共模轴承电压 Ub 与共模电压 U0 的比值——所谓的轴承电压比 (BVR)——可用于对预期 EDM 电流的初阶预计。正在差异事务点的轴承电压的高分别率丈量中，能够窥察到特色电压峰值，解说合系的放电电流。能够依照轴承的操纵寿命确定环节事务点。正在确定潜正在事务点后，对这些事务点的高比例举办接连测试，并评估轴承的操纵寿命。

如图 10 所示，轴承电压Ub 通过电容分压器联贯到共模电压 U0。它由寄生电容（绕组外壳 Cw,h，绕组转子 Cw,r 转子外壳 Cr,h）和轴承阻抗 Zb 构成。等效电道图显示了抗御 EDM 电流的程序，

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前面的章节呈现了 SiC 身手正在组件级另外影响和大概性。下一步是正在本钱和成果方面将上风整合到优化的牵引体例中，同时还要探求 NVH 和 EMC题目。

为了依照扭矩-速率性格图中的丈量值评估 WLTP 工况下的有用性，遴选 WLTP 中累积最大的点举动测试的丈量点。图 11 显示了带有 EMR4 体例的 D级车驱动体例直方图值。界说了 35 个操作点，并正在电机测试台上以差异的开合频率团结差异的压摆率举办丈量。

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对丈量结果的评估揭示了两个对 SiC 身手的进一步繁荣具有决议性事理的环节浮现。看待基础丈量，正在逆变器中推行了高电压和低压摆率。正在某些操作点，高压摆率对应于 10 kV/µs，低至 5 kV/µs。

图 12 显示了正在中速边界内低扭矩的一个事务点上器件级别和体例级另外功率损耗区别。逆变器的功率损耗估计会跟着开合频率的减少而减少，而且正在丈量精度内无法检测到 5kV/µs 和 10kV/µs 之间的区别。这是因为依赖于操作点的压摆率，它正在低负载下的影响很小。另一方面，电机的功率损耗跟着开合频率的减少而低重，但也会对 10 kV/µs 的更高电压转换率做出响应。这一上风补充了因为更高的开合频率而导致的体例级更高的逆变器损耗。总的来说，它进步了体例成果。

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正在图 13 中能够窥察到 10 kV/µs 对更高电流的逆变器级另外上风，由于合座逆变器损耗跟着逆变器电流（分裂是逆变器输出功率）的减少而减少。与低速下测得的职能比拟，电机职能大概没有变动，但正在高于 8 kHz 的更高开合频率下，正在体例级仅窥察到眇小的改正。通过调解更高的压摆率，图 13 中窥察到的上风应变化到性格弧线中的统统操作点。

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丈量值用于校准逆变器和电动机的仿真模子，以识别 WLTP 轮回中的合座成果，并模仿另日的其他工况轮回。为了初阶解说 SiC 身手的成果潜力，体例级的丈量损耗已转换为性格图。仍然通过适合的插值方式创办了足够准确的网格，以表现驱动模仿中的全体轮回。图 14 显示了举动示例的特色体例图，电压压摆率为 5 kV/µs，开合频率为 12 kHz。

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图 15 显示了 D 级车辆正在 WLTP 轮回中的结果，限值介于 5 kV/µs（6 和 12 kHz）和 10 kV/µs（6 和 12 kHz）之间。WLTP 中 PWM 频率的减少导致电机成果的减少。别的，它证据了逆变器输出电压压摆率的减少会导致逆变器中 6 kHz 和 12 kHz 的电气损耗低重。

依照图 14 和 15，阴谋出的逆变器损耗淘汰值低于开垦方向。于是，测得的事务点成果进步和随后照射到 WLTP 解说，通过淘汰碳化硅半导体的开合损耗，WLTP 能够完成明显上风。

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从所举办的探求能够猜想，通过正在逆变器中操纵碳化硅半导体，除了调制方式和开合频率变动等掌握计谋的经典参数外，还能够操纵新参数来进步成果。

因为进步成果的宏伟潜力，半导体原料碳化硅的操纵面对着高压使用的冲破。体例优化供应了完成逆变器和电机最大成果的办理计划。操纵 D 级车的例子，通局部事务点的成果提拔说明，照射到它们对 WLTP 有用性的影响，提拔WLTP工况里程。

正在车辆层面，与 Si IGBT 比拟，操纵 SiC MOSFET 可将 800 V 电压秤谌的体例成果进步众达 3%。

除了这一上风以外，碳化硅还能够显着进步逆变器输出的电压压摆率 > 20 kV/µs（表面上），这是当今的硅半导体办理计划所不行到达的目标。

这已正在某些操作点上取得验证。然而，WLTP 中最佳开合频率和电压压摆率的整体潜力的表现必要进一步探求。

开合频率的减少往往会导致逆变器中开合损耗的减少。操纵碳化硅半导体的办理计划能够通过进步电压转换率来低重举动逆变器开合频率函数的合座开合损耗。这种成效能够踊跃地用于进步逆变器和电机体例的成果。

总体而言，电动机频率的减少导致成果进一步进步 1-2%。为了淘汰成果劣势，务必正在 EMC 统制容许的环境下将电压压摆率调解为最高。

通过操纵 SiC 替代 Si 半导体，体例优化正在 800 V 的电压秤谌下总共进步了 6 – 8% 的成果。

开合频率减少到 20 kHz，电压压摆率减少到 15 kV/µs 是开垦经过的下一步。这并不代表碳化硅能够获取的最大大概值，但探求到绝缘和 EMC 行动，这些参数正在大界限批量出产中是大概的。