基于SIC功率模塊的200kW車載逆變控制器介紹

在電動汽車驅動控制器中，逆變控制器是實現(xiàn)能量交直流轉化的關鍵部件，用于電機的驅動或制動時的能量回收或是提供交流電源。市場對于逆變控制器的能量傳輸效率、功率密度、價格等方面的要求越來越高。而功率模塊又是逆變器實現(xiàn)高傳輸效率、高功率密度的關鍵器件，目前電動汽車驅動逆變器絕大部分是基于傳統(tǒng)Si(硅)器件IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)功率模塊的設計，存在開關頻率低、損耗大的缺點，外圍配套濾波器體積大，質(zhì)量重，制約了逆變控制器功率密度的提高。

SiC(碳化硅)與Si器件相比存在三方面優(yōu)勢：更高的擊穿電壓強度；更低的損耗；更高的熱導率。這些特性意味著SiC器件可以用在高電壓、高開關頻率、高功率密度的場合。隨著SiC模塊功率制造水平的提高，SiC 將會是越來越適合車載逆變控制器的半導體器件，采用SiC器件+水冷散熱是實現(xiàn)逆變控制器高功率密度的有效手段。

本文介紹一種基于SIC功率模塊的200KW車載逆變控制器，以解決現(xiàn)有技術中車載逆變器體積大，超重量的問題。

控制器包括如下單元：

三相逆變單元：由3個SIC功率模塊組成的三相逆變?nèi)珮?，用于將直流電轉化為供電機或交流負載使用的交流電；

功率驅動單元：兩單元的隔離集成SIC模塊驅動模塊直接焊接在三相逆變單元上，再通過排線連接到控制單元，可將控制單元經(jīng)過控制算法計算出來的占空比變化的脈沖信號轉化為SIC模塊的驅動信號；

可控制動單元：通過控制單元的母線電壓采樣，實時監(jiān)控母線電壓值，通過連接在直流母線與逆變單元之間的泄放電路，用于在帶電機負載出現(xiàn)電流反灌時，避免因反灌能量導致母線電壓過高而損壞逆變器；

采樣反饋單元：包括三相電流采樣模塊、溫度采樣模塊和直流電壓采樣模塊，用于采集三相逆變單元的三相電流信號、功率模塊溫度信號、進出水口溫度和逆變控制器內(nèi)部溫度、直流母線電壓信號；

圖1 結構示意圖

系統(tǒng)控制單元：控制單元集成了DSP、FPGA和ARM三個控制芯片及外圍擴展FLASH及RAM；控制單元與采樣反饋單元及上位機連接，用于接收上位機指令并發(fā)送控制指令以及接收采樣反饋單元采集的逆變單元的電流信號、電壓信號和溫度信號；

支撐電容單元：包括在3個SIC功率模塊的正負端子與正負輸入接口之間連接的大容量的薄膜電容，在每個SIC功率模塊的正負端子之間連接的小容量的薄膜電容，以及在正負母排之間連接的放電電阻，用于濾波并儲存電能，消除母線電壓波動帶來的影響；

電磁屏蔽單元：在輸入接口安裝了直流共模電感，在母排正負排之間連接了兩個安規(guī)電容，在正母排與外殼地之間連接了一個安規(guī)電容板，在負母排與外殼地之間連接了一個安規(guī)電容板，用于處理因采用SIC功率模塊，提高了開關頻率導致的電磁干擾的問題；

水冷單元：逆變控制器在3個SIC功率模塊背面的下方安裝了一個水冷單元，包括一水冷散熱器，所述水冷散熱器上開設有有第一開孔和第二開孔，第一開孔設置在三相逆變單元的右側下方以供冷卻水的流入，第二開孔設置在三相逆變單元的右側上方以供冷卻水的流出，水冷單元用于整機三相逆變控制器進行降溫保護；

溫度保護單元：在每個SIC功率模塊內(nèi)置了NTC，用于采集功率模塊的溫度；在水冷散熱器的第一開孔位置安裝一個溫度傳感器，用于進水口溫度的采集，在水冷散熱器的第二開孔位置安裝一個溫度傳感器，用于出水口溫度的采集；在功率室安裝一個溫度傳感器，用于逆變控制器內(nèi)部環(huán)境溫度的采集。

圖2 電氣原理示意圖

逆變控制器由于采用了寬禁帶材料的碳化硅半導體作為功率轉換器件，與傳統(tǒng)基于SI(硅)半導體IGBT的逆變器相比，具有以下優(yōu)點：結構更加緊湊、體積更小、重量更輕、耐熱溫度更高、高阻斷電壓、低損耗、開關速度快，外圍配套LC濾波器更小。綜合以上優(yōu)點，在相同的功率等級下，設備中功率器件的數(shù)量、散熱器的體積、濾波元件體積均能大大減小，同時效率也有大幅度的提升。同時采用了優(yōu)化的結構布局方式，使整個逆變控制器中的雜散電感大大減少，對于系統(tǒng)間各部件的干擾也相應減少。通過對逆變控制器的優(yōu)化設計，逆變控制器所占用的空間體積變小、散熱更好，所能提供的開關頻率達到20kHZ，電流諧波更低；從而實現(xiàn)整機系統(tǒng)高功率密度、高頻高效率、小型化、輕量化。

審核編輯：湯梓紅