前言

臻驅科技（上海）有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“臻驅科技”）是一家以研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售新能源車(chē)動(dòng)力總成及其功率半導體模塊為核心業(yè)務(wù)的高科技公司。2019年底，臻驅科技與日本羅姆半導體公司成立了聯(lián)合實(shí)驗室，并簽訂戰略合作協(xié)議，合作內容包含了基于某些客戶(hù)的需求，進(jìn)行基于羅姆碳化硅芯片的功率半導體模塊，及對應電機控制器的開(kāi)發(fā)。本文即介紹臻驅對碳化硅功率模塊的開(kāi)發(fā)、測試及系統評估。

 

Introduction

碳化硅功率半導體近年來(lái)在能源轉換應用中正在成為一個(gè)熱門(mén)的話(huà)題：由于材料屬性，使得它具有比硅基半導體器件更高的最大結溫、更小的損耗，以及更小的材料熱阻系數等。

 

因此，很多人宣稱(chēng)，當碳化硅功率器件應用于能源轉換后，變頻器系統將有更高的功率密度、更小的體積、更高的允許工作溫度，以及更低的損耗，從而給應用系統帶來(lái)更大優(yōu)勢。

 

臻驅科技計劃將碳化硅芯片封裝至功率模塊，并應用于新能源車(chē)的電機驅動(dòng)器中（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“電控”），用于取代其現有的硅基IGBT功率模塊（峰值功率約為150 kW）。

 

進(jìn)行開(kāi)發(fā)之前，應用者需要進(jìn)行評估，哪些碳化硅的特性能給主驅?xiě)脦?lái)最大的價(jià)值。例如，對于此類(lèi)DC-AC的拓撲結構，碳化硅技術(shù)的導入對于電控體積的減小并沒(méi)有顯著(zhù)的作用，因為電控的體積主要取決于其各子部件的封裝技術(shù)而功率模塊只占其中很小的百分比；另一些人宣稱(chēng)可以利用碳化硅更高工作結溫的優(yōu)勢，少安裝芯片數量并使其工作在高溫，從而降低成本。也許，此特性適用于如地下鉆探等環(huán)境溫度很高的應用，但對于新能源車(chē)而言，是否有必要將結溫推高而犧牲效率（注：碳化硅在高溫下的損耗會(huì )顯著(zhù)增加），以及是否因為節省了芯片數量就能節省系統成本，是需要被質(zhì)疑的。

 

表1 羅姆公司第四代SiC芯片性能概覽

在臻驅看來(lái)，碳化硅技術(shù)應用于主驅電控的主要系統優(yōu)勢，是在于效率的提升，以及峰值輸出功率的增加。前者可以提升續航里程或減少電池安裝數量，后者可以給整車(chē)帶來(lái)更大的百公里加速度。臻驅第一款開(kāi)發(fā)的是750V的碳化硅模塊，針對A級及以上的乘用車(chē)型；第二款是1200V碳化硅模塊，應用于800V系統的乘用車(chē)或商用車(chē)。在臻驅開(kāi)發(fā)的碳化硅模塊中，臻驅采用的是羅姆最新的第四代750V及1200V芯片，以1200V芯片為例，其綜合性能較上一代產(chǎn)品有顯著(zhù)提升，見(jiàn)表1。

 

本文介紹了該項目的研發(fā)過(guò)程：包含系統性能評估（top-down flow），用于選擇芯片并聯(lián)數量；碳化硅模塊的本體設計，包括封裝形式、電磁、熱、結構、可制造性等；模塊性能測試，對標某知名IGBT功率模塊；根據模塊的標定結果迭代系統性能評估，包括最大輸出功率、高效區并輔以臺架實(shí)測結果，并展開(kāi)其對續航里程影響的分析?；谝陨辖Y果，本文最后將總結一下關(guān)于碳化硅模塊應用于主驅設計的方法論。

 

系統分析

根據羅姆提供的第四代SiC芯片規格書(shū)，作者將其相關(guān)參數導入至臻驅的系統分析工具——ScanTool中。ScanTool是一種時(shí)域-頻域混合的穩態(tài)仿真工具，主要用于電力電子系統的前期方案設計，可用于計算系統在不同軟硬件配置下的功率、效率、輸出波形失真、母線(xiàn)電容的電壓紋波及電流應力等。ScanTool的計算原理是將時(shí)域激勵波形轉成頻域的頻譜，同時(shí)將負載用頻域矩陣的形式表述，兩者相乘從而獲得頻域的響應，再對該頻域響應逆變換成時(shí)域波形。通過(guò)此種方式，該工具的輸出波形具有極高的穩態(tài)精度，同時(shí)又避免了一般的時(shí)域仿真工具從初始狀態(tài)到最終穩態(tài)的等待時(shí)間，使其仿真時(shí)間可以從每個(gè)仿真數十分鐘縮減至1-2秒。因此ScanTool特別適合動(dòng)輒需要仿真成百上千種軟硬件設計組合的高自由度的電力電子系統的前期設計。一個(gè)圖像化的原理介紹見(jiàn)圖1。

 

圖1 Scantool原理框圖

 

一般而言，當人們設計一款基于IGBT芯片的功率模塊時(shí)，芯片的種類(lèi)及并聯(lián)數量的選擇依據大多為芯片的結溫（或者說(shuō)是最大結溫時(shí)能輸出的峰值功率）。此項目采用碳化硅芯片，單個(gè)面積小、適合多芯片并聯(lián)，但其價(jià)格較IGBT高出不少。另一方面，碳化硅屬于單極性器件，因此碳化硅芯片的并聯(lián)數量越多，其總導通損耗越低，并可因此提高電控的效率。所以，選擇芯片并聯(lián)數量時(shí)，除了最高結溫限制了最大輸出功率，還必須考慮它對于系統層面的優(yōu)勢——如之前所提到過(guò)的，即必須考慮綜合的效率提升，尤其是如在NEDC、WLTC、CLTC等循環(huán)路況下的續航里程的提升，并結合財務(wù)回報模型進(jìn)行綜合分析。一種簡(jiǎn)化的財務(wù)模型可以包含使用碳化硅的模塊（較IGBT模塊）導致的成本差異、電池安裝成本減少，以及后續的充電使用成本減少。前兩者為初始投資支出（CAPEX），后者為運營(yíng)支出（OPEX），最終可以折算出獲得財務(wù)回報的時(shí)間點(diǎn)。根據車(chē)型與用戶(hù)使用頻次，該盈虧平衡點(diǎn)可以在1-4年之間。由于該系統層面測算模型涉及到很多變量的假設，本文不再贅述。

 

經(jīng)過(guò)一系列的系統分析，我們驗證了芯片并聯(lián)數量過(guò)多，不會(huì )對續航里程進(jìn)一步提升有過(guò)多幫助，而只能提升該車(chē)的最大加速度；芯片數量過(guò)少，貌似模塊成本降低，但也可能失去效率/經(jīng)濟優(yōu)勢——尤其是考慮碳化硅芯片的正溫度系數后。

 

基于此結果，作者對選擇的芯片數量依據財務(wù)模型進(jìn)行了優(yōu)化，既能避免無(wú)謂的多安裝的芯片而導致的成本增加，也避免了芯片并聯(lián)數量過(guò)少而導致的經(jīng)濟優(yōu)勢不再。同時(shí)，臻驅碳化硅模塊也引入了平臺化設計的理念，即當客戶(hù)對于整車(chē)加速性有更高要求的時(shí)候（例如對于部分高端車(chē)型），模塊內部可以根據客戶(hù)需求而并聯(lián)更多的芯片，從而提高最大瞬時(shí)輸出功率，給整車(chē)用戶(hù)提供更大的推背體驗。

 

模塊本體設計

當芯片選型與并聯(lián)數量確定后，我們進(jìn)入功率半導體模塊的本體設計階段，它一般包含電磁、熱、結構與可制造性等內容。需要注意的是，碳化硅的開(kāi)關(guān)速度比硅基的IGBT高很多，所以，一些在IGBT模塊中通常并不嚴苛的指標，會(huì )在碳化硅模塊的設計中變得十分關(guān)鍵。這些指標包括了各并聯(lián)碳化硅芯片之間的開(kāi)關(guān)時(shí)刻同步性、芯片的瞬態(tài)電流電壓應力的均衡性、功率鏈路對于門(mén)極的干擾等。其中，前兩個(gè)指標體現在模塊外特性上，它們會(huì )決定該模塊的極限電壓與電流輸出能力；功率鏈路對門(mén)極的干擾，是器件在開(kāi)通關(guān)斷的瞬間，將電磁能量通過(guò)空間耦合到控制鏈路上，其造成的后果可能是導致門(mén)極瞬態(tài)電壓應力過(guò)大導致門(mén)極老化加快、壽命減少，嚴重的可導致功率的誤觸發(fā)，造成模塊及系統的損壞。

 

此外，在臻驅之前的碳化硅功率模塊的設計項目中，發(fā)現碳化硅模塊中較為明顯的振蕩現象，它是由功率模塊的漏感與碳化硅芯片的結電容構成的LC諧振，通常其頻率在數十兆赫茲。該振蕩會(huì )影響到電控系統的電磁兼容表現，并降低碳化硅模塊的效率優(yōu)勢，甚至在某些極限工況下，此諧振會(huì )進(jìn)一步惡化，使電壓電流幅值超越器件的安全工作區域（SOA）。為了解決這個(gè)問(wèn)題，臻驅開(kāi)發(fā)了一系列設計輔助工具，并基于此優(yōu)化了模塊本體設計，最終將該問(wèn)題基本解決。圖2是兩個(gè)輸出波形的對比?？梢钥闯?，在相同的工況下，優(yōu)化后的模塊設計不再有明顯的振蕩現象。

 

圖2  改善前（左圖）與改善后（右圖）的關(guān)斷電壓與電流波形

 

最終，臻驅設計的碳化硅功率模塊經(jīng)過(guò)多次迭代，將模塊內部多芯片之間的瞬態(tài)應力不平衡度降低到了10%以下。根據團隊內部進(jìn)行的競品對標評估，認為僅此性能就已經(jīng)做到了業(yè)內的頂尖水平。同時(shí)，功率鏈路對于門(mén)極的電壓毛刺干擾也大大減??；模塊開(kāi)關(guān)時(shí)刻的高頻振蕩問(wèn)題也得到了較好的解決。

 

碳化硅模塊性能對標測試

功率模塊的測試包含性能與可靠性測試，而性能測試可以分為用于導通損耗評估的靜態(tài)測試與用于開(kāi)關(guān)損耗評估的動(dòng)態(tài)測試。后者通常的實(shí)現方法是一種稱(chēng)為“雙脈沖測試”的方法，它需要對于被測器件施加不同的電壓、電流、器件溫度，甚至不同的門(mén)極驅動(dòng)電阻，以進(jìn)行全面測試評估。一個(gè)完整的測試DoE表格（Design of Experiment）可包含數千個(gè)工作點(diǎn)?？紤]到接著(zhù)還需要進(jìn)行大量的測試數據的后處理工作，功率器件的動(dòng)態(tài)測試顯然是一個(gè)費時(shí)費力的任務(wù)。因此，很多情況下，用戶(hù)不得不選擇降低測試點(diǎn)密度，即刪減DoE表格的長(cháng)度來(lái)縮短測試時(shí)間。

 

臻驅科技開(kāi)發(fā)出了一套高精度、高測試速度的功率模塊動(dòng)態(tài)測試標定平臺，它基本可以做到“一鍵”完成數千個(gè)工作點(diǎn)的全自動(dòng)測試，并自動(dòng)化后做數據的后處理，并半自動(dòng)地生成標準化的模塊測試報告。使用者所需要做的，只是對測試前期硬件進(jìn)行配置、生成科學(xué)的DoE表格，以及對最終的測試報告添加主觀(guān)評估的內容。對一個(gè)有3000多個(gè)測試點(diǎn)的模塊標定任務(wù)，相較于一般的手動(dòng)/半手動(dòng)測試系統，該自動(dòng)化標定平臺可以將工作從2個(gè)月壓縮到2天，且包含了數據后處理及報告生成。圖3介紹了該測試平臺的核心功能。

 

(a) 自動(dòng)化測試界面  

 

(b) 自動(dòng)化的數據后處理

 

(c) 半自動(dòng)化的報告生成

圖3 雙脈沖測試平臺核心功能

 

本項目中，動(dòng)態(tài)性能的參考對象為一知名的IGBT功率模塊。測試結果顯示，臻驅開(kāi)發(fā)的碳化硅功率模塊在動(dòng)態(tài)性能上全面超越了參考的IGBT功率模塊，這包括了開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗及體二極管的反向恢復損耗。同時(shí)，碳化硅模塊在極端溫度下也沒(méi)有出現明顯的振蕩。

 

碳化硅電控的效率對標測試

接著(zhù)，基于碳化硅功率模塊及其配套的門(mén)極驅動(dòng)被裝入了電機控制器，并匹配一永磁電機進(jìn)行效率圖的標定，其結果用于與基于IGBT功率模塊的電控的對標。電控及驅動(dòng)電機測試系統見(jiàn)圖4。

 

圖4 SiC電機控制器效率測試

 

圖5 IGBT電控與SiC電控實(shí)測效率對比

 

IGBT電控與碳化硅電控的實(shí)測效率圖與關(guān)鍵參數對比分別見(jiàn)圖5與表2?？梢钥吹?，采用了碳化硅功率模塊的電控無(wú)論是在最高效率、最低效率，還是高效區都有了顯著(zhù)的提升。尤其是在低扭矩的輕載情況下，碳化硅的效率優(yōu)勢極為明顯。這主要是得益于單極性功率器件在輕載時(shí)的導通損耗低，及全區域的開(kāi)關(guān)損耗低的特性。

 

 表2 IGBT電控與SiC電控實(shí)測效率對比

 

 

注：電控實(shí)際效率通過(guò)功率分析儀測量得出，在極高效率區間由于設備精度限制可能存在一定誤差。

       功率分析設備采用Yokogawa WT3004E，于逆變器輸入輸出端口進(jìn)行效率測量

 

碳化硅電控的效率仿真驗證

此外，我們也將雙脈沖測試的數據導入了系統評估工具ScanTool，對效率圖進(jìn)行了仿真計算。需要指出的是，由于碳化硅器件有較明顯的正溫度系數特性（即損耗隨著(zhù)溫度升高而增加），ScanTool中設置了溫度迭代功能，即根據前一次仿真結果的器件結溫計算該器件在此結溫下的損耗，再進(jìn)行結溫復算，直至前后兩次計算結果的溫度偏差小于1度?？梢韵胂蟮氖?，當芯片并聯(lián)數量過(guò)少的時(shí)候，由于結溫升高會(huì )引起器件的損耗增加；反之，芯片并聯(lián)數量較多時(shí)，單個(gè)器件的損耗較低，使其工作結溫也較低，在此較低的結溫下，碳化硅芯片的損耗將進(jìn)一步減少?？梢?jiàn)，具備溫度-損耗的迭代功能的ScanTool是保證建模精度的一個(gè)關(guān)鍵。

 

圖6 基于損耗測試數據的IGBT電控與SiC電控Scantool仿真效率對比 (考慮損耗溫度系數)

 

仿真的結果顯示在圖6及表3。對照圖5和表2的實(shí)測結果，我們可以看到，分析工具與實(shí)測結果是十分吻合的。兩者之間的剩余差異主要體現在低速區，在這個(gè)區域內的電控輸出功率很低，因此電控內的殘余損耗顯得明顯，如銅排與母線(xiàn)電容上的損耗等。此外，脈寬調制的方案、測試設備的精度也是可能的原因，但這些較小的差異不影響接下去的系統級續航里程分析。

 

表3 基于損耗測試數據的IGBT電控與SiC電控仿真效率對比

 

 

碳化硅電控的最大輸出能力分析

 

碳化硅模塊內部的芯片并聯(lián)數量越多，其電控的輸出能力越大。在這項分析中，我們假設碳化硅與IGBT允許工作在相同的最高結溫下即150℃。ScanTool的仿真結果顯示，當模塊采用6芯片并聯(lián)時(shí)，最大輸出功率增加12.4%；當采用8芯片并聯(lián)時(shí)，功率增加31%。

 

在實(shí)驗中，由于動(dòng)力總成臺架的能力限制，我們使用了電感作為負載來(lái)測試最大輸出能力。相較于采用真實(shí)電機負載，這個(gè)妥協(xié)的方案用于評估碳化硅模塊測試是可以接受的，原因是碳化硅芯片雙向導通的特點(diǎn)使得其損耗對于負載的功率因數的大小并不敏感。

圖9展示了碳化硅電控輸出達到了600 Arms，且已達到了測試設備的最大能力。需要指出的是，在電控應用場(chǎng)景中，我們保持了10kHz的開(kāi)關(guān)頻率，而此時(shí)碳化硅模塊的開(kāi)關(guān)損耗的百分比仍是較低的（約20%）。因此，通過(guò)升級軟件的控制頻率和驅動(dòng)電路的功率能力，可以顯著(zhù)提升電控的開(kāi)關(guān)頻率而不導致明顯的功率降額。在高開(kāi)關(guān)頻率下，負載的基波頻率也可以顯著(zhù)提升，即將電控用于如高速空壓機、航天等應用場(chǎng)景。

 

 

圖 9 碳化硅電控實(shí)際運行波形（基波頻率300Hz, 電流有效值600A，直流母線(xiàn)420V）

 

碳化硅電控帶來(lái)的系統優(yōu)勢評估

此處的系統評估指的主要是整車(chē)層面的續航里程。為此，臻驅科技已開(kāi)發(fā)了一套整車(chē)基于指定路譜的計算工具：使用者選定一款車(chē)型，并指定路況模板后，該工具將輸出對應于動(dòng)力總成（電機+電控）的扭矩與轉速指令，并根據ScanTool計算或實(shí)際標定得出的碳化硅電控及電機的效率圖，計算出整車(chē)的續航里程。

 

 

圖 10  整車(chē)續航里程系統評估工具概念圖 （*注：部分子部件圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò )）

 

圖11  搭載IGBT電控與SiC電控的整車(chē)能耗分布對比 (一個(gè)CLTC-P循環(huán)路況下)

 

此處我們選擇了一款低風(fēng)阻的轎車(chē)車(chē)型，并匹配如圖5所示的IGBT/SiC電控及其對應驅動(dòng)電機實(shí)測效率，置于CLTC-P（China Light-duty Vehicle Test Cycle – passenger car, 中國輕型汽車(chē)行駛工況-乘用車(chē)）路譜下進(jìn)行仿真分析，整車(chē)系統能耗對比見(jiàn)圖11。較原來(lái)搭載的IGBT電控方案，搭載了臻驅碳化硅電控的整車(chē)能耗降低4.4%，即搭載相同電池容量情況下，續航里程可增加4.4%！這個(gè)令人振奮的結果，證明了碳化硅技術(shù)在新能源車(chē)主驅?xiě)弥械娘@著(zhù)優(yōu)勢。用戶(hù)可根據此結果，進(jìn)一步進(jìn)行整車(chē)經(jīng)濟性方面的分析。

 

項目總結

本文介紹了臻驅科技對于碳化硅功率模塊及電控的開(kāi)發(fā)、測試及系統評估。實(shí)測結果證明，該碳化硅功率模塊工作穩定，并相較于IGBT模塊在損耗方面有明顯降低；所對應的碳化硅電控，相較于IGBT電控，無(wú)論在最大輸出功率還是續航里程上都有顯著(zhù)的優(yōu)勢。此項目也側面證明了，碳化硅技術(shù)應用于新能源車(chē)的主驅是大勢所趨。

 

 

(a) 組裝線(xiàn) (自動(dòng)化率約85%)

 

(b) 測試線(xiàn) (自動(dòng)化率 100%)

圖12 臻驅自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)

 

本文所開(kāi)發(fā)的碳化硅功率模塊與某主流IGBT功率模塊在功率端子部分兼容，而門(mén)極位置經(jīng)過(guò)了優(yōu)化改動(dòng)，其目的是優(yōu)化模塊內部的電氣性能。本文所開(kāi)發(fā)的碳化硅電控與IGBT電控的功能完全兼容而性能優(yōu)勢明顯，并可在臻驅科技現有的電控自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)上實(shí)現批量生產(chǎn)。

 

臻驅科技自主研發(fā)了一套自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)（見(jiàn)圖12），其規劃產(chǎn)能為每年15萬(wàn)臺，組裝線(xiàn)自動(dòng)化率約85%，測試線(xiàn)自動(dòng)化率為100%。工廠(chǎng)通過(guò)了TUEV（德國技術(shù)監督協(xié)會(huì )的）的IATF16949質(zhì)量體系認證。

 

臨近尾聲，作者對碳化硅電控的心得討論如下：

1. 碳化硅用于電控的主要優(yōu)勢在于效率，而更高效率帶來(lái)的經(jīng)濟優(yōu)勢在于電池安裝成本及充電成本的降低；

2. 碳化硅模塊設計時(shí)，其芯片并聯(lián)數量需要一定過(guò)設計以實(shí)現最佳經(jīng)濟性；更多的芯片并聯(lián)會(huì )降低經(jīng)濟性，但可幫助整車(chē)實(shí)現更大的加速度；

3. 碳化硅模塊本體設計難點(diǎn)在于電磁部分，需要開(kāi)發(fā)出精確的建模和設計輔助工具；

4. 碳化硅技術(shù)用于小風(fēng)阻車(chē)型時(shí)續航里程可增加4%以上。

 

總體而言，碳化硅電控適用于續航里程長(cháng)、風(fēng)阻小的高端車(chē)型，并對整車(chē)使用頻次較高的用戶(hù)有更高經(jīng)濟價(jià)值。