碳化硅MOSFET在電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)中的研究

導(dǎo)讀

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空調(diào)壓縮機(jī)是熱泵空調(diào)系統(tǒng)的核心,選擇合適的功率器件可以提高其控制器的工作效率,從而提髙整個(gè)系統(tǒng)的效率?這里使用了雙脈沖測(cè)試電路,對(duì)1200V的碳化硅MOSFET和硅IGBT的開關(guān)損耗進(jìn)行對(duì)比?使用PLECS仿真軟件建立兩者的熱模型,進(jìn)行系統(tǒng)性仿真,得到效率和結(jié)溫間的對(duì)比結(jié)果?最后通過電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)得出控制器應(yīng)用碳化硅MOSFET時(shí)的效率,驗(yàn)證出在電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)中,空調(diào)壓縮機(jī)控制器應(yīng)用碳化硅MOSFET能有更高的效率,有利于電動(dòng)汽車的熱管理?

我國擁有世界最大的汽車消費(fèi)市場(chǎng),為堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展基本國策,需大力發(fā)展環(huán)保?節(jié)能?經(jīng)濟(jì)的電動(dòng)汽車[1]?車主因擔(dān)心駕駛電動(dòng)汽車突然沒電引起的焦慮問題主要有3種解決方法:增加充電粧保有量?加快電池充電速度及減少汽車電能損耗[2]?電動(dòng)汽車最大的能量消耗是在克服行駛阻力上,其次是在空調(diào)熱泵系統(tǒng)上?空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)是空調(diào)熱栗系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),直接影響空調(diào)熱泵系統(tǒng)能量損耗,而壓縮機(jī)控制器對(duì)壓縮機(jī)的性能起決定作用[3]?

碳化硅材料作為第3代半導(dǎo)體材料[4],是目前應(yīng)用于大功率?髙溫?高壓功率器件的商品化最好的材料w?相比傳統(tǒng)硅IGBT,碳化硅M0EFET電子遷移率更高?擊穿場(chǎng)強(qiáng)且屬于單極型器件,開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗極低?目前空調(diào)壓縮機(jī)控制器主要使用的功率器件是硅IGBT,但硅IGBT在高壓情況下的損耗遠(yuǎn)大于碳化硅MOSFET,尤其是壓縮機(jī)工作在輕載工況下,控制器碳化硅MOSFET方案的損耗可降低至硅IGBT方案的一半以下?而車用空調(diào)壓縮機(jī)通常工作在輕載工況下,可以極大發(fā)揮碳化硅MOSFET的優(yōu)勢(shì),從而減少空調(diào)熱泵系統(tǒng)的損耗,有利于電動(dòng)汽車的熱管理,降低整車電能的消耗,提高新能源汽車的續(xù)航能力?

01

器件損耗對(duì)比

汽車企業(yè)為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的超級(jí)快充,需提高電動(dòng)汽車的充電功率?提高充電功率就是提高充電電流和電壓,大電流充電存在纜線粗細(xì)?電阻散熱和成本等問題,所以很多企業(yè)開始采用800V高壓快速充電?若使用DC/DC模塊降壓后給空調(diào)壓縮機(jī)控制器供電的架構(gòu),能量損失較大?故汽車企業(yè)開始使用與充電電壓相匹配的800V高壓平臺(tái),即乘客無法直接接觸到的設(shè)備輸入端都使用800V輸入?故此處碳化硅M0SFET選擇C3M0075120J,IGBT使用IXGA20N120B3?兩者都是TO-263封裝,額定電壓均達(dá)到1200V,滿足800V高壓平臺(tái)使用要求?器件基本參數(shù)如表1所示?

由于功率器件的工作特性和外部電路是強(qiáng)相關(guān)的,所以在使用器件時(shí)器件手冊(cè)只具備參考價(jià)值,需要進(jìn)行雙脈沖測(cè)試獲得器件準(zhǔn)確的開關(guān)特性?雙脈沖測(cè)試電路原理圖如圖1所示?

雙脈沖測(cè)試是一種基于半橋電路形成的功率器件測(cè)試方法,而壓縮機(jī)控制器是一個(gè)三相逆變器,所以此次測(cè)試選取控制器電路三相橋中的w相作為測(cè)試橋臂,構(gòu)成雙脈沖測(cè)試電路?上管外接空心電感作為感性負(fù)載?上管給關(guān)斷電壓,使用其體二極管,可以測(cè)得器件體二極管特性;下管給兩個(gè)連續(xù)脈沖,第1個(gè)寬脈沖測(cè)試器件的關(guān)斷特性,第2個(gè)窄脈沖測(cè)試器件的開通特性?因?yàn)榈?個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)電感電流通過上管的體二極管續(xù)流,所以第2個(gè)脈沖開始時(shí)會(huì)發(fā)生體二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象,因此雙脈沖測(cè)試能真實(shí)地反映出器件在三相橋電路中的工作特性[5]?

設(shè)置測(cè)試母線電壓為800V,加熱臺(tái)溫度設(shè)置為25保證結(jié)溫處于設(shè)定值,驅(qū)動(dòng)電壓為15V,門極電阻為10ft?通過Matlab對(duì)雙脈沖測(cè)試測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到碳化硅M0SFET不同通態(tài)電流下的開關(guān)損耗數(shù)據(jù),將其與硅IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)上的數(shù)據(jù)一起處理后得到兩者間的開關(guān)損耗對(duì)比圖?碳化硅M0SFET和硅IGBT的關(guān)斷和開通損耗如圖2所示?

可見,在800V電壓下,碳化硅M0SFET與硅IGBT相比,不管是關(guān)斷損耗還是開通損耗都是碳化硅M0SFET的損耗小?隨著通態(tài)電流的增大,硅IGBT的開關(guān)損耗急劇增大,而與之相對(duì)的是碳化硅M0SFET的開關(guān)損耗增長幅度較小?硅IGBT的關(guān)斷損耗遠(yuǎn)高于碳化硅M0SFET是由于其存在拖尾電流;開通損耗高可能由體二極管的恢復(fù)電流帶來?測(cè)試結(jié)果顯示碳化硅M0SFET在開關(guān)損耗上的性能優(yōu)于硅IGBT的性能?

02

系統(tǒng)性能對(duì)比

雖然兩種器件損耗特性對(duì)比顯示出碳化硅M0SFET在開關(guān)損耗上小于硅IGBT,但是器件在實(shí)際應(yīng)用上需要考慮散熱等因素,所以需要對(duì)兩者進(jìn)行系統(tǒng)性仿真,對(duì)比兩者間的損耗和結(jié)溫?進(jìn)一步驗(yàn)證碳化硅M0SFET在空調(diào)壓縮機(jī)控制器的應(yīng)用上優(yōu)于硅IGBT?

PLECS仿真軟件具有熱建模功能,可以使用雙脈沖測(cè)試測(cè)量得到的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗等數(shù)據(jù)建立熱損耗模型,適合對(duì)高頻功率器件進(jìn)行熱損耗和開關(guān)損耗仿真?在PLECS中建立合適的熱環(huán)境和電氣系統(tǒng),由PLECS運(yùn)行熱模型并計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的損耗和溫升數(shù)據(jù),從而對(duì)比碳化硅M0SFET和硅IGBT在空調(diào)壓縮機(jī)控制器系統(tǒng)中的損耗和結(jié)溫[6]開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗可以通過控制器效率體現(xiàn),故器件仿真的損耗結(jié)果使用效率圖代替?盡管熱仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定的偏差,但還是能對(duì)實(shí)際應(yīng)用有著較好的指導(dǎo)作用?

使用PLECS仿真軟件建立系統(tǒng)電路圖?因?yàn)槠骷怯迷诳照{(diào)壓縮機(jī)控制器上,故可建立三相逆變器模型,負(fù)載選擇阻感負(fù)載?三相橋使用三相全橋模塊?使用PLECS模塊庫中的散熱板?熱阻?連續(xù)熱源構(gòu)造系統(tǒng)熱環(huán)境?對(duì)雙脈沖測(cè)試獲得的器件參數(shù)結(jié)合各自數(shù)據(jù)手冊(cè)上的信息進(jìn)行器件熱建模后,將C3M0075120J和IXGA20N120B3的PLECS熱模型分別導(dǎo)入到碳化硅M0SFET三相模塊和硅GBT三相模塊中?圖3為器件熱模型?散熱板模擬的是控制器的水冷散熱器,熱容設(shè)置為200J/K?連續(xù)熱源模擬的是水冷液的溫度,設(shè)置為35T?母線電壓使用800V,模擬電動(dòng)汽車的800V高壓平臺(tái)?根據(jù)壓縮機(jī)的工作需求,輸出電壓設(shè)置為450V,電流范圍選擇2~20A?根據(jù)壓縮機(jī)9000r＇min-1的轉(zhuǎn)速要求設(shè)置逆變器基波頻率為600Hz?圖4為仿真對(duì)比結(jié)果?

可以看出,應(yīng)用碳化硅MOSFET的控制器輸出電壓穩(wěn)定,在不同的輸出電流時(shí),器件仿真結(jié)溫低于硅IGBT的仿真結(jié)溫,并且隨著電流的增大,兩者間的差距逐漸變大?更低的溫升意味著控制器有更低的損耗且能夠工作在更高的環(huán)境溫度下?碳化硅MOSFET在仿真效率上一直高于硅IGBT的仿真效率,保持在99%以上,符合雙脈沖測(cè)試得到的開關(guān)損耗較小的測(cè)試結(jié)果?

03

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證在實(shí)際應(yīng)用中使用碳化硅MOSFET的壓縮機(jī)控制器具有較低的損耗,也就是控制器擁有高效率,這里搭建了電機(jī)對(duì)拖平臺(tái)?電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M電機(jī)帶負(fù)載的工況?分別控制兩臺(tái)電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速,可以測(cè)得不同轉(zhuǎn)速和扭矩下的控制器效率?

電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為9000r*min-1,輸出扭矩范圍在1~7N,以對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)工況?通過上位機(jī)讀取控制器在不同電流下的對(duì)拖效率控制器效率如圖5所示，可以看出，壓縮機(jī)控制器對(duì)拖效率都在99%以上，有著和仿真相似的極高的效率,稍低于仿真效率的原因可能是實(shí)際電路的驅(qū)動(dòng)回路中存在一些雜散參數(shù)。但上述對(duì)拖效率結(jié)果已經(jīng)能驗(yàn)證出碳化硅MOSFET控制器在實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)有極高的效率，有利于電動(dòng)汽車的熱管理。

04

結(jié)論

結(jié)論針對(duì)電動(dòng)汽車熱管理的問題,通過選取適用于800V高壓充電平臺(tái)的碳化硅MOSFET和硅IGBT,對(duì)比兩者間的器件開關(guān)損耗?通過PLECS系統(tǒng)性仿真和電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)得到控制器效率對(duì)比分析,最終驗(yàn)證了碳化硅MOSFET使用在壓縮機(jī)控制器上提高了壓縮機(jī)的效率,有利于電動(dòng)汽車的熱管理?不僅如此,傳統(tǒng)的1200V硅IGBT方案由于開關(guān)損耗較大,散熱問題嚴(yán)重,因此一般限制在15kHz以內(nèi)?采用碳化硅MOSFET方案后,可以通過提升逆變器開關(guān)頻率,以減小輸出電流的總諧波畸變率,從而減小壓縮機(jī)的諧波損耗,提升壓縮機(jī)的效率,進(jìn)一步提高空調(diào)熱泵系統(tǒng)的效率,更有利于電動(dòng)汽車空調(diào)熱管理?

審核編輯 ：李倩