工程師需要盡可能獲得的所有幫助來快速開發(fā)新的電力驅(qū)動器。差異不僅僅體現(xiàn)在尺寸、形狀和重量限制方面。功能和電氣安全要求以及環(huán)境條件在很大程度上取決于應(yīng)用和地理市場。另一方面，所有制造商之間的競爭形勢要求快速上市。

　　就性能和可靠性而言，碳化硅 (SIC) 是首選的功率半導(dǎo)體技術(shù)。雖然里程焦慮是導(dǎo)致乘用車市場從硅轉(zhuǎn)向更節(jié)能的碳化硅的問題之一，但公共汽車等車輛在已知路線上運(yùn)行，而越野車的行駛距離相對較短。對于這些應(yīng)用，SiC 的高壓功能可以實(shí)現(xiàn)更快的充電，從而縮短周轉(zhuǎn)時間，并且其在高溫下運(yùn)行的能力有助于最大限度地提高可靠性。此外，模塊需要更少的 SiC 器件來分擔(dān)責(zé)任，而且 SiC MOSFET 的擊穿電壓比硅器件更小。因此，也可以節(jié)省模塊尺寸。

圖1：高壓碳化硅逆變器

　　然而，SiC 功率器件并不能直接替代硅 MOSFET 或 IGBT。安排適當(dāng)?shù)臇艠O控制以確保高頻下快速、平穩(wěn)的開關(guān)轉(zhuǎn)換并不簡單。進(jìn)一步的挑戰(zhàn)包括集成硬件組件，特別是逆變器和智能功率模塊，以及設(shè)置和校準(zhǔn)電機(jī)控制軟件。

　　加速發(fā)展

　　為了幫助克服開發(fā)挑戰(zhàn)并加快穩(wěn)健可靠的SiC 功率模塊的上市時間(圖 1)，Cissoid 開發(fā)了 SiC 牽引逆變器平臺和參考設(shè)計。驅(qū)動器制造商可以利用它來構(gòu)建能夠在高達(dá) 850V 的電池電壓下運(yùn)行的系統(tǒng)。該硬件是模塊化且可擴(kuò)展的，可產(chǎn)生各種額定功率的設(shè)計。

　　該參考設(shè)計解決了逆變器中眾所周知的困難和耗時的問題。核心組件包括三相 1200 V 智能功率模塊 (IPM)，該模塊已與針對 SiC 應(yīng)用優(yōu)化的柵極驅(qū)動器集成，并可承受高溫(圖 2)。該驅(qū)動器可提供超過 10 A 的峰值柵極電流，并可在高達(dá) 125°C 的環(huán)境溫度下運(yùn)行。

圖2：智能功率模塊（IPM）

　　由于SiC 柵極驅(qū)動器已與電源模塊集成，因此用戶可以使用已經(jīng)過驗(yàn)證和優(yōu)化的解決方案來啟動他們的項(xiàng)目，該解決方案可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)速度和低損耗，不受高 dI/dt 和 dV/dt 影響，并且包含對功率級的強(qiáng)大保護(hù)。因此，微調(diào)模塊性能和確保適當(dāng)?shù)臒峁芾硭璧牡螖?shù)顯著減少。參考設(shè)計中的其他硬件包括直流電流和相電流傳感器、EMI 濾波、緊湊型液體冷卻器和高密度直流母線電容器。直流母線電容器專為逆變器平臺開發(fā)，涵蓋各種電壓和電流選項(xiàng)。

　　軟件控制和校準(zhǔn)

　　為了完成參考設(shè)計，還有一個帶有專用處理器和軟件的電機(jī)控制板，已通過 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn) ASIL D 級預(yù)先認(rèn)證，以實(shí)現(xiàn)功能安全。電機(jī)控制軟件允許在不影響功能安全認(rèn)證的情況下進(jìn)行廣泛的調(diào)整，從而可以根據(jù)最終使用案例的需要靈活地優(yōu)化電機(jī)行為。用戶可以在此基礎(chǔ)上運(yùn)行他們的定制應(yīng)用軟件。

　　該控制板圍繞 Silicon Mobility OLEA T222 現(xiàn)場可編程控制單元 (FPCU) 設(shè)計。這種方法允許參考設(shè)計將傳統(tǒng)處理器基于軟件的靈活性與硬件加速相結(jié)合，以確保實(shí)時性能達(dá)到所需的最高電機(jī)速度。通過包含控制板，該參考設(shè)計還可以幫助用戶避免將控制板和智能功率模塊組合在一起時常見的機(jī)械和電氣集成挑戰(zhàn)。

　　OLEA App Inverter 是一款靈活且完全可定制的控制軟件(圖 3)，由于可以離線或?qū)崟r修改配置和校準(zhǔn)參數(shù)，因此可以匹配任何電動動力總成配置和功率范圍。該軟件還具有調(diào)試和校準(zhǔn)框架，包括圖形界面。

圖3

　　使用 OLEA Composer，開發(fā)人員可以縮短優(yōu)化電機(jī)控制軟件所需的時間。

　　碳化硅逆變器性能

　　參數(shù)設(shè)置完畢后，即可對電機(jī)進(jìn)行測試，并繪制出逆變器-電機(jī)組合的效率。圖 4a 和 4b 比較了基于 SiC 的逆變器與在類似實(shí)際條件下測試的硅 IGBT 逆變器的性能。

圖4

圖5

　　設(shè)置和校準(zhǔn)驅(qū)動器

　　OLEA Composer 工具套件可幫助用戶根據(jù)客戶的規(guī)格使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。它有助于對電壓、額定功率、速度和扭矩等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，以達(dá)到最佳工作范圍。一旦完成，就可以繪制逆變器電機(jī)效率圖。

　　設(shè)置和校準(zhǔn)分四個步驟完成：

　　第一步：軟件參數(shù)配置

　　根據(jù)電機(jī)參數(shù)配置 OLEA App Inverter 軟件。

　　第 2 步：逆變器硬件設(shè)置

　　電機(jī)的設(shè)置，包括旋轉(zhuǎn)變壓器和溫度傳感器等組件。EV 電子控制單元 (ECU) 和工作臺(例如 CAN、安全)接口、電源和冷卻接口的連接。

　　使用測試臺檢查逆變器安全接口。

　　步驟 3：電機(jī)控制系統(tǒng)校準(zhǔn)

　　開環(huán)模式：通過 OLEA T222 FPCU 校準(zhǔn)電流和電壓傳感器信號調(diào)理鏈。

　　部分開環(huán)模式：使用旋轉(zhuǎn)變壓器或電感式傳感器進(jìn)行位置傳感器偏移校準(zhǔn)。

　　電流閉環(huán)模式：內(nèi)部 PI 控制器調(diào)整 ID 和 IQ 矢量以實(shí)現(xiàn)磁場定向控制 (FOC)。

　　扭矩控制模式：微調(diào)扭矩控制環(huán)以實(shí)現(xiàn)精度和動態(tài)響應(yīng)。

　　速度閉環(huán)模式：速度調(diào)節(jié)器標(biāo)定。

　　第 4 步：高級系統(tǒng)優(yōu)化

　　開關(guān)頻率縮放：根據(jù)速度和相電流調(diào)整開關(guān)頻率。

　　死區(qū)補(bǔ)償：調(diào)整死區(qū)補(bǔ)償算法以最小化相電流諧波。

　　弱磁：ID/IQ 設(shè)定點(diǎn)優(yōu)化，可在最大每電壓扭矩 (MTPV) 區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效運(yùn)行。

　　SVPWM/DPWM：定義空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和不連續(xù)脈寬調(diào)制(DPWM)之間的閾值，在高速下提供更高的效率。

　　使用這種方法可以調(diào)整參考設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)高于 99% 的效率，在高達(dá) 4000 rpm 的 700 V 總線上運(yùn)行，如下圖所示：

圖6

　　這些性能圖顯示了基于 SiC 的驅(qū)動器的更高效率如何確保卓越的用戶體驗(yàn)。隨著速度和負(fù)載需求的增加，當(dāng)使用基于 IGBT 的驅(qū)動器運(yùn)行時，由于效率較低，電機(jī)扭矩會顯著降低;如果不大幅增加冷卻，則與設(shè)備中的能量損失相關(guān)的自熱無法消散。相比之下，基于 SiC 的高效驅(qū)動器可以在更寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)提供更接近最大的扭矩。

　　推動電氣化超越汽車

　　公共汽車、卡車和農(nóng)用車輛行業(yè)為電氣化和減少環(huán)境排放負(fù)擔(dān)提供了良好的機(jī)會。與硅 IGBT 或 MOSFET相比，碳化硅功率技術(shù)有助于最大限度地提高可靠性和車輛占空比，并提供卓越的效率。

總而言之，SiC 設(shè)計的復(fù)雜性以及確保快速上市的必要性需要靈活的開發(fā)平臺來幫助設(shè)計人員滿足各種車輛類別和類型的目標(biāo)。完整的參考設(shè)計可為使用 SiC 進(jìn)行設(shè)計時的主要挑戰(zhàn)提供解決方案，同時還具有靈活性和可擴(kuò)展性，可應(yīng)對不同的額定功率和電池電壓，以處理小型到大型車輛，有效地最大限度地降低設(shè)計風(fēng)險，并有助于加快上市時間。