高密度碳化硅功率模塊迎接電動(dòng)方程式挑戰(zhàn)

本文重點(diǎn)介紹高密度 SiC 電源模塊在電動(dòng)方程式賽車中的相關(guān)作用，這是最先進(jìn)和最具挑戰(zhàn)性的比賽電動(dòng)汽車 （ EV ）。將詳細(xì)介紹已成功用于電動(dòng)方程式的 Hitachi ABB Power Grids RoadPak 電源模塊。

電動(dòng)方程式錦標(biāo)賽始于 2014 年，在 2018 年獲得 ABB 贊助后，目前被稱為“ABB FIA 電動(dòng)方程式錦標(biāo)賽”，需要全面優(yōu)化的功率半導(dǎo)體模塊，例如最新一代的功率轉(zhuǎn)換器。由于其競(jìng)爭(zhēng)性質(zhì)，F(xiàn)ormula E 包括商業(yè)電動(dòng)汽車所沒(méi)有的特定要求。一個(gè)例子是所謂的攻擊模式，幾年前引入的目的是使比賽更加壯觀和有吸引力。該功能可在車輛穿過(guò)賽道上的指定賽道時(shí)激活，在一定時(shí)間內(nèi)為電機(jī)提供額外的 35 kW 功率。攻擊模式的使用，通過(guò)藍(lán)光指示在 Halo 設(shè)備上進(jìn)行監(jiān)控，

電動(dòng)方程式要求

作為一項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)性挑戰(zhàn)，F(xiàn)ormula E 主要側(cè)重于在錦標(biāo)賽期間實(shí)現(xiàn) PM 的出色表現(xiàn)，因此，長(zhǎng)期可靠性和成本等要求不如商用電動(dòng)汽車重要。功率密度（或每單位表面的電流）、重量功率比和即時(shí)滿功率可用性都是電動(dòng)方程式的強(qiáng)制性要求。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是逆變器的設(shè)計(jì)具有更大的靈活性，因?yàn)榕可a(chǎn)更加輕松要求和更手動(dòng)的逆變器組裝過(guò)程。而且，冷卻液的選擇和冷卻特性可以更自由地選擇，冷卻系統(tǒng)的允許壓降更高。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

與許多其他應(yīng)用一樣，考慮到 SiC 是一種很有前途的替代技術(shù)，F(xiàn)ormula E 硅 IGBT 模塊已逐漸被碳化硅 MOSFET 器件取代。作為以輕量化和提高效率為關(guān)鍵因素的應(yīng)用，F(xiàn)ormula E 可以從逆變器設(shè)計(jì)中 SiC MOSFET 的低損耗中受益。Hitachi ABB Power Grids RoadPak 1.2-kV SiC MOSFET 半橋模塊，如圖 1 所示，在小尺寸 （《70 × 75 mm） 中包含具有低損耗和高可靠性的最新一代 SiC MOSFET，以滿足日益增長(zhǎng)的需求電動(dòng)汽車市場(chǎng)。

圖 1 ： Hitachi ABB Power Grids RoadPak 1.2-kV SiC MOSFET 半橋模塊

面向電動(dòng)汽車市場(chǎng)的 RoadPak 基線設(shè)計(jì)基于 8 個(gè)并行 SiC 芯片，在不改變外形的情況下可以增加到 10 個(gè)。這是最實(shí)用的解決方案，因?yàn)橛捎谥圃熘械牧悸侍魬?zhàn)，增加單個(gè) SiC 芯片的活性表面受到限制（目前市場(chǎng)上的 SiC MOSFET 的活性面積小于 30 mm 2）。正如熱模擬所證實(shí)的那樣，由于相鄰芯片之間的熱串?dāng)_，并聯(lián)連接幾個(gè) SiC 會(huì)導(dǎo)致更差的熱擴(kuò)散和熱阻 （R th ）的增加，需要仔細(xì)考慮。

SiC MOSFETs shall be properly selected based on their conduction losses （P cond ）， switching losses （P sw ） at different switching frequencies， and， of course， reliability considerations. 傳導(dǎo)損耗在限制的最大電流，它是MOSFET的（R的信道導(dǎo)通狀態(tài)電阻的一個(gè)主要功能發(fā)揮的最相關(guān)的角色的RDS（on）根據(jù)下式導(dǎo)通期間）P COND?- ［R DS（ON） ×我rms 2。因此，選擇具有盡可能低的 R DS（on）的 SiC MOSFET是強(qiáng)制性的，但必須考慮生命周期的權(quán)衡。基于 SiC 的 PM 提供的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它們的低開(kāi)關(guān)損耗，包括導(dǎo)通 （E on ）、關(guān)斷 （E off ） 和反向恢復(fù)損耗 （E rec ）。然而，應(yīng)該注意的是，開(kāi)關(guān)頻率越高，功率模塊中的總開(kāi)關(guān)損耗就越高。除了 R DS（on），最大電流取決于最大結(jié)溫 T Jmax。因此，需要選擇具有較高T Jmax 的器件并優(yōu)先考慮熱管理以降低模塊的R th。而市場(chǎng)上大多數(shù) SiC MOSFET 的額定值為 T Jmax150°C 至 175°C，當(dāng)前 RoadPak 模塊的額定溫度為 175°C，并且趨勢(shì)是將 T Jmax增加到 200°C。

與商用電動(dòng)汽車不同，F(xiàn)ormula E 汽車不愿意在極低的環(huán)境溫度下運(yùn)行，因此，冷卻液可以在水-乙二醇混合物中加入較少的乙二醇，從而降低粘度和提高冷卻性能。此外，粘度較低的冷卻劑會(huì)降低系統(tǒng)中的壓降，因此需要更小、更輕的泵。經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，RoadPak 電源模塊選擇了采用優(yōu)化針翅方式的串行單側(cè)冷卻，該解決方案可提供高冷卻性能并易于集成到逆變器中。

除了冷卻方案外，熱阻還受設(shè)計(jì)選擇的影響，例如芯片連接材料和厚度、基板陶瓷類型和底板設(shè)計(jì)。對(duì)于 RoadPak，選擇了燒結(jié)貼片材料，因?yàn)樗诠β恃h(huán)期間具有更高的可靠性、更低的電阻和更高的熱導(dǎo)率。與焊接相比，用于芯片連接的薄而致密的銀燒結(jié)層（具有 320 W/mK 的熱導(dǎo)率）實(shí)現(xiàn)了約 5% 的熱阻降低。關(guān)于 RoadPak 設(shè)計(jì)的散熱器/底板，由于銅具有更高的熱導(dǎo)率（Cu 為 385 W/mK，而 AlSiC 為 180 W/mK）和更好的熱- 傳播效果。由于具有高熱膨脹系數(shù) （CTE），通常預(yù)計(jì)帶有銅基板的模塊在被動(dòng)功率循環(huán)中的壽命較短。然而，通過(guò)仔細(xì)選擇與整體功率模塊設(shè)計(jì)的有效 CTE 相匹配的模塑料，在 RoadPak 設(shè)計(jì)中有效地補(bǔ)償了 Cu 基板高 CTE 的負(fù)面影響。電源模塊布局在電磁設(shè)計(jì)方面需要特別注意。為了達(dá)到高額定電流，并且由于 SiC MOSFET 的尺寸小，必須并聯(lián)多個(gè) SiC 器件。出現(xiàn)的非均勻開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的振蕩和寄生導(dǎo)通增加。這些不良影響還可能導(dǎo)致電流降額或開(kāi)關(guān)速度受限，從而降低 SiC MOSFET 的低損耗優(yōu)勢(shì)。RoadPak 1. 電動(dòng)方程式的 2-kV 設(shè)計(jì)得到優(yōu)化并制造了模塊，旨在達(dá)到最大可能的功率密度。經(jīng)驗(yàn)證的 Z優(yōu)化的 6Pak 設(shè)計(jì)的第 th曲線（對(duì)單位功率階躍的瞬態(tài)溫度響應(yīng)）如圖 2 所示。

圖 2：經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的 RoadPak 模塊的 Zth 曲線

由于 PM 熱管理和整體冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)，在圖 2 所示的條件下實(shí)現(xiàn)了小于 83 K/kW的 R thmax。平均 Zth 和最熱芯片 Zth 之間的微小差異表明均勻冷卻的并行設(shè)備。上述低 R th允許在工作條件下（V DC = 800 V，f sw = 10 kHz，T in = 45?C，CosΦ = 0.825，m = 0.95）的工作點(diǎn) I rms 》 900 A，并具有干凈的開(kāi)關(guān)，這使 RoadPak 成為適用于要求嚴(yán)苛應(yīng)用的基準(zhǔn) SiC 功率模塊。