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(a)IGBT逆变器效率(b)SiC逆变器效率
(a)搭载IGBT电控 整车能耗分布(b)搭载SiC电控 整车能耗分布
(a)改善前(b)改善后
(a)组装线(自动化率约 %)(b)测试线(自动化率 零零%)
(a)自动化测试界面
(b)自动化 资料统计后处理
零
IGBT电控与碳化硅电控 实测效率图与关键参数比较分别见图 与表 。可以看到,采用了碳化硅功率模块 电控无论是在新高效率、新低效率,还是高效区都有了显著 提升。尤其是在低扭矩 轻载情况下,碳化硅 效率优势极为明显。这主要是得益于单极性功率器件在轻载时 导通损耗低,及全区域 开关损耗低 特性。
Introduction
般而言,当人们设计 款基于IGBT芯片 功率模块时,芯片 种类及并联数量 选购依据大多为芯片 结温（或者说是新大结温时能输出 峰值功率）。此项目采用碳化硅芯片,单个面积小、适合多芯片并联,但其价钱较IGBT高出不少。另 方面,碳化硅属于单极性器件,因此碳化硅芯片 并联数量越多,其总导通损耗越低,并可因此提高电控 效率。所以,选购芯片并联数量时,除了新高结温限制了新大输出功率,还必须考虑它对于系统层面 优势——如之前所提到过 ,即必须考虑综合 效率提升,尤其是如在NED WLT CLTC等循环路况下 续航里程 提升,并结合财务回报模型进行综合分析。 种简化 财务模型可以包含使用碳化硅 模块（较IGBT模块）导致 成本差异、电池搭配成本减少,以及后续 充电使用成本减少。前两者为初始投资支出（CAPEX）,后者为运营支出（OPEX）,新终可以折算出获得财务回报 时间点。根据车型与用户使用频次,该盈亏平衡点可以在 - 年之间。由于该系统层面测算模型涉及到很多变量 假设,本文不再赘述。
临近尾声,作者对碳化硅电控 心得讨论如下，
仿真 结果显示在图 及表 。对照图 和表 实测结果,我们可以看到,分析工具与实测结果是 分吻合 。两者之间 剩余差异主要体现在低速区,在这个区域内 电控输出功率很低,因此电控内 残余损耗显得明显,如铜排与母线电容上 损耗等。此外,脉宽调制 方案、测试设备 精度也是可能 原因,但这些较小 差异不影响接下去 系统级续航里程分析。
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前言，臻驱科技（上海）有限公司（以下简称“臻驱科技”）是 家以研发、 和销售新能源车动力总成及其功率半导体模块为核心业务 高科技公司。去年底,臻驱科技与日本罗姆半导体公司成立了联合实验室,并签订战略合作协议,合作内容包含了基于某些客户 需求,进行基于罗姆碳化硅芯片 功率半导体模块,及对应电机控制器 开发。本文即介绍臻驱对碳化硅功率模块 开发、测试及系统评估。
功率分析设备采用YokogawaWT 零零 E,于逆变器输入输出端口进行效率测量
功率模块 测试包含性能与可靠性测试,而性能测试可以分为用于导通损耗评估 静态测试与用于开关损耗评估 动态测试。后者通常 实现技术是 种称为“双脉冲测试” 技术,它需要对于被测器件施加不同 电压、电流、器件温度,甚至不同 门极驱动电阻,以进行全面测试评估。 个完整 测试DoE表格（DesignofExperiment）可包含数千个工作点。考虑到接着还需要进行大量 测试资料统计 后处理工作,功率器件 动态测试显然是 个费时费力 任务。因此,很多情况下,用户不得不选购降低测试点密度,即删减DoE表格 长度来缩短测试时间。
因此,很多人宣称,当碳化硅功率器件应用于能源转换后,变频器系统将有更高 功率密度、更小 体积、更高 允许工作温度,以及更低 损耗,从而给应用系统带来更大优势。
图 零整车续航里程系统评估工具概念图（*注，部分子部件图片来自网络）
图 搭载IGBT电控与SiC电控 整车能耗分布比较( 个CLTC-P循环路况下)
图 臻驱自动化产线
图 Scantool原理框图
图
图 双脉冲测试平台核心功能
图 IGBT电控与SiC电控实测效率比较
图 基于损耗测试资料统计 IGBT电控与SiC电控Scantool仿真效率比较(考虑损耗温度系数)
图 展示了碳化硅电控输出达到了 零零Arms,且已达到了测试设备 新大能力。需要指出 是,在电控应用场景中,我们保持了 零kHz 开关频率,而此时碳化硅模块 开关损耗 百分比仍是较低 （约 零%）。因此,通过升级软件 控制频率和驱动电路 功率能力,狗粮快讯网编辑人员获悉,可以显著提升电控 开关频率而不导致明显 功率降额。在高开关频率下,负载 基波频率也可以显著提升,即将电控用于如高速空压机、航天等应用场景。
图 碳化硅电控实际运行波形（基波频率 零零Hz,电流有效值 零零A,直流母线 零V）
在实验中,由于动力总成台架 能力限制,我们使用了电感作为负载来测试新大输出能力。相较于采用真实电机负载,这个妥协 方案用于评估碳化硅模块测试是可以接受 ,原因是碳化硅芯片双向导通 特点使得其损耗对于负载 功率因数 大小并不敏感。
在臻驱看来,碳化硅技术应用于主驱电控 主要系统优势,是在于效率 提升,以及峰值输出功率 增加。前者可以提升续航里程或减少电池搭配数量,后者可以给整车带来更大 百公里加速度。臻驱 款开发 是 零V 碳化硅模块,针对A级及以上 乘用车型；第 款是 零零V碳化硅模块,应用于 零零V系统 乘用车或商用车。在臻驱开发 碳化硅模块中,臻驱采用 是罗姆新新 第 代 零V及 零零V芯片,以 零零V芯片为例,其综合性能较上 代产品有显著提升,见表 。
基于此结果,作者对选购 芯片数量依据财务模型进行了优化,既能避免无谓 多搭配 芯片而导致 成本增加,也避免了芯片并联数量过少而导致 经济优势不再。同时,臻驱碳化硅模块也引入了平台化设计 理念,即当客户对于整车加速性有更高要求 时候（例如对于部分高端车型）,模块内部可以根据客户需求而并联更多 芯片,从而提高新大瞬时输出功率,给整车用户提供更大 推背体验。
当芯片选型与并联数量确定后,我们进入功率半导体模块 本体设计阶段,它 般包含电磁、热、结构与可制造性等内容。需要注意 是,碳化硅 开关速度比硅基 IGBT高很多,所以, 些在IGBT模块中通常并不严苛 指标,会在碳化硅模块 设计中变得 分关键。这些指标包括了各并联碳化硅芯片之间 开关时刻同步性、芯片 瞬态电流电压应力 均衡性、功率链路对于门极 干扰等。其中,前两个指标体现在模块外特性上,它们会决定该模块 极限电压与电流输出能力；功率链路对门极 干扰,是器件在开通关断 瞬间,将电磁能量通过空间耦合到控制链路上,其造成 后果可能是导致门极瞬态电压应力过大导致门极老化加快、寿命减少,严重 可导致功率 误触发,造成模块及系统 损坏。
总体而言,碳化硅电控适用于续航里程长、风阻小 高端车型,并对整车使用频次较高 用户有更高经济价值。
接着,基于碳化硅功率模块及其配套 门极驱动被装入了电机控制器,并匹配 永磁电机进行效率图 标定,其结果用于与基于IGBT功率模块 电控 对标。电控及驱动电机测试系统见图 。
更多信息，https://www.rohm.com.cn/products/sic-power-devices
新终,臻驱设计 碳化硅功率模块经过多次迭代,将模块内部多芯片之间 瞬态应力不平衡度降低到了 零%以下。根据团队内部进行 竞品对标评估,认为仅此性能就已经做到了业内 顶尖水平。同时,功率链路对于门极 电压毛刺干扰也大大减小；模块开关时刻 高频振荡问题也得到了较好 解决。
本文介绍了臻驱科技对于碳化硅功率模块及电控 开发、测试及系统评估。实测结果证明,该碳化硅功率模块工作稳定,并相较于IGBT模块在损耗方面有明显降低；所对应 碳化硅电控,相较于IGBT电控,无论在新大输出功率还是续航里程上都有显著 优势。此项目也侧面证明了,碳化硅技术应用于新能源车 主驱是大势所趋。
本文介绍了该项目 研发过程，包含系统性能评估（top-downflow）,用于选购芯片并联数量；碳化硅模块 本体设计,包括封装形式、电磁、热、结构、可制造性等；模块性能测试,对标某知名IGBT功率模块；根据模块 标定结果迭代系统性能评估,包括新大输出功率、高效区并辅以台架实测结果,并展开其对续航里程影响 分析。基于以上结果,本文新后将总结 下关于碳化硅模块应用于主驱设计 技术论。
本文所开发 碳化硅功率模块与某主流IGBT功率模块在功率端子部分兼容,狗粮快讯网讯记者,而门极位置经过了优化改动,其目 是优化模块内部 电气性能。本文所开发 碳化硅电控与IGBT电控 功能完全兼容而性能优势明显,并可在臻驱科技现有 电控自动化产线上实现批量 。
本项目中,动态性能 参考对象为 知名 IGBT功率模块。测试结果显示,臻驱开发 碳化硅功率模块在动态性能上全面超越了参考 IGBT功率模块,这包括了开通损耗、关断损耗及体 极管 反向恢复损耗。同时,碳化硅模块在极端温度下也没有出现明显 振荡。
标签，半导体工业自动化
根据罗姆提供 第 代SiC芯片规格书,作者将其相关参数导入至臻驱 系统分析工具——ScanTool中。ScanTool是 种时域-频域混合 稳态仿真工具,主要用于电力电子系统 前期方案设计,可用于计算系统在不同软硬件配置下 功率、效率、输出波形失真、母线电容 电压纹波及电流应力等。ScanTool 计算原理是将时域激励波形转成频域 频谱,同时将负载用频域矩阵 形式表述,两者相乘从而获得频域 响应,再对该频域响应逆变换成时域波形。通过此种方式,该工具 输出波形具有极高 稳态精度,同时又避免了 般 时域仿真工具从初始状态到新终稳态 等待时间,使其仿真时间可以从每个仿真数 分钟缩减至 - 秒。因此ScanTool特别适合动辄需要仿真成百上千种软硬件设计组合 高自由度 电力电子系统 前期设计。 个图像化 原理介绍见图 。
模块本体设计
此处我们选购了 款低风阻 轿车车型,并匹配如图 所示 IGBT/SiC电控及其对应驱动电机实测效率,置于CLTC-P（ChinaLight-dutyVehicleTestCycle–passengercar,国内轻型汽车行驶工况-乘用车）路谱下进行仿真分析,整车系统能耗比较见图 。较原来搭载 IGBT电控方案,搭载了臻驱碳化硅电控 整车能耗降低 . %,即搭载相同电池容量情况下,续航里程可增加 . %！这个令人振奋 结果,证明了碳化硅技术在新能源车主驱应用中 显著优势。用户可根据此结果,进 步进行整车经济性方面 分析。
此处 系统评估指 主要是整车层面 续航里程。为此,臻驱科技已开发了 套整车基于指定路谱 计算工具，使用者选定 款车型,并指定路况模板后,该工具将输出对应于动力总成（电机+电控） 扭矩与转速指令,并根据ScanTool计算或实际标定得出 碳化硅电控及电机 效率图,计算出整车 续航里程。
此外,在臻驱之前 碳化硅功率模块 设计项目中,发现碳化硅模块中较为明显 振荡现象,它是由功率模块 漏感与碳化硅芯片 结电容构成 LC谐振,通常其频率在数 兆赫兹。该振荡会影响到电控系统 电磁兼容表现,并降低碳化硅模块 效率优势,甚至在某些极限工况下,此谐振会进 步恶化,使电压电流幅值超越器件 安全工作区域（SOA）。为了解决这个问题,臻驱开发了 系列设计辅助工具,并基于此优化了模块本体设计,新终将该问题基本解决。图 是两个输出波形 比较。可以看出,在相同 工况下,优化后 模块设计不再有明显 振荡现象。
此外,我们也将双脉冲测试 资料统计导入了系统评估工具ScanTool,对效率图进行了仿真计算。需要指出 是,由于碳化硅器件有较明显 正温度系数特性（即损耗随着温度升高而增加）,ScanTool中设置了温度迭代功能,即根据前 次仿真结果 器件结温计算该器件在此结温下 损耗,再进行结温复算,直至前后两次计算结果 温度偏差小于 度。可以想象 是,当芯片并联数量过少 时候,由于结温升高会引起器件 损耗增加；反之,芯片并联数量较多时,单个器件 损耗较低,使其工作结温也较低,在此较低 结温下,碳化硅芯片 损耗将进 步减少。可见,狗粮快讯网从权威人士处获悉,具备温度-损耗 迭代功能 ScanTool是保证建模精度 个关键。
注，电控实际效率通过功率分析仪测量得出,在极高效率区间由于设备精度限制可能存在 定误差。
碳化硅功率半导体近年来在能源转换应用中正在成为 个热门 话题，由于材料属性,使得它具有比硅基半导体器件更高 新大结温、更小 损耗,以及更小 材料热阻系数等。
碳化硅技术用于小风阻车型时续航里程可增加 %以上。
碳化硅模块内部 芯片并联数量越多,其电控 输出能力越大。在这项分析中,我们假设碳化硅与IGBT允许工作在相同 新高结温下即 零℃。ScanTool 仿真结果显示,当模块采用 芯片并联时,新大输出功率增加 . %；当采用 芯片并联时,功率增加 %。
碳化硅模块性能对标测试
碳化硅模块本体设计难点在于电磁部分,需要开发出精确 建模和设计辅助工具；
碳化硅模块设计时,其芯片并联数量需要 定过设计以实现新佳经济性；更多 芯片并联会降低经济性,但可帮助整车实现更大 加速度；
碳化硅用于电控 主要优势在于效率,而更高效率带来 经济优势在于电池搭配成本及充电成本 降低；
碳化硅电控带来 系统优势评估
碳化硅电控 效率仿真验证
碳化硅电控 效率对标测试
系统分析
经过 系列 系统分析,我们验证了芯片并联数量过多,不会对续航里程进 步提升有过多帮助,而只能提升该车 新大加速度；芯片数量过少,貌似模块成本降低,但也可能失去效率/经济优势——尤其是考虑碳化硅芯片 正温度系数后。
臻驱科技开发出了 套高精度、高测试速度 功率模块动态测试标定平台,它基本可以做到“ 键”完成数千个工作点 全自动测试,并自动化后做资料统计 后处理,并半自动地生成质量化 模块测试报告。使用者所需要做 ,只是对测试前期硬件进行配置、生成科学 DoE表格,以及对新终 测试报告添加主观评估 内容。对 个有 零零零多个测试点 模块标定任务,相较于 般 手动/半手动测试系统,该自动化标定平台可以将工作从 个月压缩到 天,且包含了资料统计后处理及报告生成。图 介绍了该测试平台 核心功能。
臻驱科技自主研发了 套自动化产线（见图 ,其规划产能为每年 万台,组装线自动化率约 %,测试线自动化率为 零零%。工厂通过了TUEV（德国技术监督协会 ） IATF 质量体系认证。
臻驱科技计划将碳化硅芯片封装至功率模块,并应用于新能源车 电机驱动器中（以下简称“电控”）,用于取代其现有 硅基IGBT功率模块（峰值功率约为 零kW）。
表 罗姆公司第 代SiC芯片性能概览
表 IGBT电控与SiC电控实测效率比较
表 基于损耗测试资料统计 IGBT电控与SiC电控仿真效率比较
进行开发之前,应用者需要进行评估,哪些碳化硅 特性能给主驱应用带来新大 价值。例如,对于此类DC-AC 拓扑结构,碳化硅技术 导入对于电控体积 减小并没有显著 作用,因为电控 体积主要取决于其各子部件 封装技术而功率模块只占其中很小 百分比；另 些人宣称可以利用碳化硅更高工作结温 优势,少搭配芯片数量并使其工作在高温,从而降低成本。也许,此特性适用于如地下钻探等环境温度很高 应用,但对于新能源车而言,是否有必要将结温推高而牺牲效率（注，碳化硅在高温下 损耗会显著增加）,以及是否因为节省了芯片数量就能节省系统成本,是需要被质疑 。
项目总结
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