半導體工程師 icfalab 2022.11.15

電動汽車對加速性和續航里程的要求不斷提升，從而對電驅系統功率密度和效率的要求也在不斷提升。針對這一需求，分析了SiC 半導體材料的優勢，提出一種基于SiC的純電驅動系統方案。分別對 SiC基和 Si 基電驅動單元進行了臺架對比測試，測試結果表明 SiC基電驅動單元在不增加零件尺寸的前提下，可大幅提高輸出功率與效率，進而提升電動汽車的加速性與續航里程。作為一種有效提升電動汽車性能的解決方案，SiC 基電驅動單元將是未來高性能電動汽車的重要發展方向。

0 引言

《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》明確了汽車技術“低碳化?信息化?智能”化發展方向?預計到2035年，節能與新能源汽車銷售暈占比達到50%?

隨著電動汽車的快速發展與普及，對加速性能和續航里程的要求不斷提升?加速性能主要受限于電驅動單元的功率，續航里程則主要受限于動力電池的能鼠密度及電驅動單元效率?在短期內電池能量密度無法進一步突破，因此，尋找一種高功率密度?高效率的電驅動單元來滿足整車需求尤為重要?

電驅動單元作為電動汽車的核心動力部件之一，其發展趨勢是高集成?高功率?高效，率即將電機控制器?驅動電機與減速器進行“三合一“集成?基于對高功率密度與高效率的需求，本文開發了一款純電動汽車用電驅動單元，對該電驅動單元從功率器件選型到整休系統方案加以闡述?分別進行了SiC基和Si基電驅動單元的臺架測試，結果表明SiC基電驅動單元可顯著提升系統輸出功率和效率?

1SiC功率器件

1.1SiC材料特性

從表l可以看出SiC的禁帶寬度是Si的3倍，擊穿電場是Si的10倍，電子飽和漂移速度是Si的2倍，熱導率是Si的3倍?車用電力電子功率器件應用SiC材料，可以帶來更高的器件耐電壓更低的導通電阻?更高的開關頻率?更低的的結殼熱阻，非常契合車用電驅動單元高功率密度和高效率的技術要求?

1.2 SiCMOSFET

隨著技術進步，影響SiCMOSFET溝道電阻的技術難題正逐漸被攻克?以Wolfspeed公司為代表的水平溝道結構和Rohm公司為代表的垂直溝通結構均在減小導通電阻方面做了很多優化工作?圖1展示了在相同功率等級下全Si模塊?Si/SiC混合模塊和全S化模塊的損耗對比?由圖l可知，SiC肖特基勢壘二極管(SBD)優異的反向恢復特性減小了功率開關器件的開通電流應力，顯著降低了開關損耗?采用混合SiC模塊代替全Si模塊，會使總損耗降低27%左右?使用全SiC模塊后，一方面大幅縮短了關斷時間，進一步降低了開關損耗;另一方面，SiCMOSFET低導通電阻也帶來了導通損耗的降低?全SiC模塊總損耗僅為全Si模塊的30%，有助千進一步提高電力電子裝置的效率和功率?

SiCMOSFET可有效降低損耗，但也存在柵極闕值電壓小?耐負壓能力弱?柵極寄生內阻大的缺點，高頻應用存在電磁干擾(EMI)問題，這些都是目前行業面臨的技術難點和挑戰?此外，SiC晶錠生長速度慢，襯底技術門檻高，供應商較少，造成了原材料價格高?由千SiC材料硬度高，芯片外延?柵氧切割和檢測難度大，導致芯片良率較低?高昂的原材料價格和較低的芯片良率也是目前市場無法大規模應用的主要瓶頸?

2 SiC基皂驅動單元設計

2.1 系統整體方案

本文所述電驅動單元由電機控制器?驅動電機及減速器三部分組成，為“三合一“集成設計?其爆炸示意圖如圖2所示?

該方案齒軸采用平行軸同軸布置，結構緊湊，驅動電機繞組采用發卡扁線設計，提升功率密度，電機控制器采用800V高電壓平臺設計，同時在相同外包絡條件下，兼容S化基與Si基功率模塊?800V高電壓平臺的設計不僅能夠充分發揮SiC自身材料的耐高壓特性，同時也適配超級快充的需求?

其中，他提出至2035年，我國節能汽車與新能源汽車年銷量將各占一半，傳統能源動力乘用車將全部轉為混合動力，從而實現汽車產業的全面電動化轉型。其中，針對純電動和插電式混合動力汽車，2.0版技術路線圖指出，至2035年，我國。

SiC基電驅動單元主要參數如表2所示?

2.2 SiC基電機控制器

技術路線圖2.0進一步強調了純電驅動發展戰略，提出至2035年，新能源汽車市場占比超過50%，燃料電池汽車保有量達到100萬輛左右，節能汽車全面實現混合動力化，汽車產業實現電動化轉型。技術路線圖2.0進一步明確了構建中國方案智。

2.2.1 功率模塊選型

功率模塊作為電機控制器的最關鍵器件，直接決定整體系統方案?其器件的選型主要考慮技術參數與封裝形式?其中技術參數與母線電壓平臺?峰值電流輸出能力?反電動勢等相關;封裝形式主要考慮電驅動單元的尺寸要求及冷卻需求?經分析并考慮與Si基功率模塊的可互換性，選用英飛凌SiCMOSFETFS03MR12A6MAlB，該模塊集成三相全橋拓撲，耐壓值1200V，電流輸出可達400A(有效值)，自帶散熱針翅，損耗低，頻率高，易千平臺化設計?功率模塊封裝示意圖如圖3所示?

2.2.2 SiC基電機控制器結構設計

電機控制器的結構爆炸圖如圖4所示，主要包括電路板?SiC功率模塊?冷卻結構?母線電容?電流傳感器?濾波組件及殼體等?其中控制板與驅動板一體化設計，提高體積利用率并節省接插件和線束，冷卻結構可兼容SiC基和Si基功率模塊，整體倒扣的方案可充分利用空間，提升電驅動單元的體積利用率?

2.2.3 SiC基驅動電路系統設計

SiCMOSFET與SiIGBT應用最顯著的差異為其驅動電路不同，SiCMOSFET短路保護響應的要求更快[10]，電壓平臺從400V提升到800V也對系統提出了更高的電氣間隙和爬電距離要求?本文SiC驅動電路設計系統架構圖如圖5所示，包括驅動板接口?驅動芯片配置電路?驅動芯片保護電路?驅動電源供電電路以及模擬信號采集電路?

驅動板接口部分包含驅動信號輸入?故障信號輸出?驅動相關數據輸入?驅動相關數據輸出?使能和復位信號?供電?功率模塊溫度采樣信號輸入毋線電壓信號輸入?絕緣信號輸入等?

9月16日，在中國電動汽車百人會于南京舉行的“全球新能源汽車供應鏈創新大會”上，國家新能源汽車創新工程項目專家組組長王秉剛介紹的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》（以下簡稱“路線圖2.0”）透露了上述方向。王秉剛說，。

驅動芯片原邊匹配與配置電路主要包含原邊驅動信號處理?供電信號處理?使能和復位信號處理?故障信號處理等?驅動芯片副邊驅動與保護電路主要包含棚極驅動電路?有源鉗位保護電路?門極鉗位保護電路?基千退飽和短路保護電路?米勒效應保護電路等?本文設計采用英飛凌1EDI3031AS芯片?

驅動電源供電電路主要是將原邊12V供電轉換為副邊驅動電源，驅動電源選擇+15V和-4V，供SiC模塊開關同時預留高壓取電備份電源?

2.3 驅動電機設計

本文以270kW永磁同步電機(PMSM)進行電磁方案分析?極槽配合方案為8極72槽，定子槽內6層繞組，硅鋼片厚度為0.25mm，以降低電機鐵損?提升效率?轉子結構采用“雙V"結構，并考慮凸極比來提升磁阻轉矩輸出，同時轉子進行輔助槽設計來降低轉矩波動?驅動電機結構爆炸圖及電磁方案設計分別如圖6和圖7所示?

2020年10月27日對于中國汽車市場來說是十分重要的一天，在這一天中國汽車工程學會發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，概括一點說，新計劃把混合動力作為了下一步重點和核心方向，不著急全部推行純電動汽車，但是要求20。

考慮到電壓平臺升級到800V，設計中采用高耐壓漆包線及絕緣紙，結合SiCMOSFET產生的過沖電壓，利用局部放電起始電壓(PDIV)作為電機絕緣系統的校核參數，選用常溫下漆包線和絕緣紙PDIV::::=:1500V的設計來保證電機整體方案的耐壓性能?

3電驅動單元臺架測試

根據所設計的電驅動單元進行臺架測試，驅動電機的峰值功率為270kW，峰值扭矩為315N·m?搭載的臺架實物圖如圖8所示?減速器作為機械傳動機構其效率基本為穩定值，因此本文臺架測試重點關注電機控制器及驅動電機二合一(即驅動電機系統)的結果，暫不考慮減速器的影響?后文中的外特性及效率測試均為驅動電機系統的測試?

3.1外特性測試

為驗證所設計系統的峰值扭矩和峰值功率輸出能力，分別在500?600?700?800V下進行臺架外特性測試，其中臺架設置電機控制器為液冷，驅動電機為油冷，試驗時給定電機控制器的冷卻水溫為65"C，水流扯為10I/min，驅動電機的冷卻回油溫度為85"C?圖9給出了Si基和SiC基驅動電機系統的外特性曲線?

從測試結果可知，S正基驅動電機系統的峰值輸出功率比Si基驅動電機系統的峰值輸出功率最大可提升70%?

3.2驅動電機系統效率測試

為驗證所設計電驅系統的效率，在800V下進行臺架效率測試，測試邊界條件與上述外特性測試條件保持一致?圖10為Si基和SiC基驅動電機系統效率，其中Si基系統峰值效率達95.8%，SiC基系統峰值效率達96.8%?

3.3SiC基與Si基驅動電機系統效率測試對比

為驗證SiC與Si對測試的差異影響，本文在保持驅動電機和減速器設計不變的情況下，單獨更換SiC電機控制器與Si電機控制器，分別進行臺架效率測試?圖11為兩者效率差值的MAP?從圖11可知，SiC基驅動電機系統效率高于Si基驅動電機系統，平均效率可提升2%~3%?

路線圖1.0里面所說的節能汽車，目前明確就是混動包含48V和HEV，目前9月的市場滲透率分別為1.7%和2.25%，按照2025年的預期占比要到40%-48%，這個預期的增速是由車企自行迭代動力總成所實現的。目前這種對于乘用車含新。

4結語