日前，由上汽大眾與臻驅(qū)科技共同開發(fā)的首個(gè)基于碳化硅SiC技術(shù)的“三合一”電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試制完成并亮相大眾IVET創(chuàng)新技術(shù)論壇。經(jīng)上汽大眾測(cè)試，這款搭載臻驅(qū)科技碳化硅SiC電控的“三合一”電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可提升ID 4X車型至少4.5%的續(xù)航里程。

 

可為上汽大眾ID 4X車型提升至少4.5%的整車?yán)m(xù)航里程

 

碳化硅SiC，第三代功率半導(dǎo)體的代表材料，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的下一代電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的核心技術(shù)之一。憑借其耐高壓、高頻、高溫的特性，基于碳化硅SiC材料的電驅(qū)動(dòng)解決方案能夠使電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率更高，損耗更低，重量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊，在相同功率下實(shí)現(xiàn)輕量化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。當(dāng)前，全球僅有特斯拉等少數(shù)主機(jī)廠實(shí)現(xiàn)了碳化硅SiC材料的大規(guī)模量產(chǎn)應(yīng)用。

 

搭載臻驅(qū)科技碳化硅SiC電機(jī)控制器的 MEB“三合一”電橋

 

作為國內(nèi)領(lǐng)先的碳化硅SiC電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商，臻驅(qū)科技早在2021年上半年便與上汽大眾開啟了該預(yù)研項(xiàng)目的合作，為上汽大眾開發(fā)匹配MEB平臺(tái)“三合一”電橋的碳化硅SiC電機(jī)控制器。在接到項(xiàng)目任務(wù)后，臻驅(qū)科技組織骨干力量投入技術(shù)攻堅(jiān)和產(chǎn)品研發(fā)，快速響應(yīng)上汽大眾的定制化需求。

 

臻驅(qū)科技SiC功率模塊和電控項(xiàng)目組

 

臻驅(qū)科技總經(jīng)理助理夏雨昕博士表示：“本次與上汽大眾的合作是臻驅(qū)科技自研碳化硅SiC功率模塊及電控首次搭載于“三合一”電橋，對(duì)于EMC設(shè)計(jì)、軸電流、抗振動(dòng)等提出了新的挑戰(zhàn)。盡管面臨時(shí)間緊、任務(wù)重、壓力大的困難，臻驅(qū)科技項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)?wèi){借深厚的技術(shù)積累，始終保持高效的研發(fā)質(zhì)量和速度，逐一解決了在研發(fā)進(jìn)程中各個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。”

 

采用日本羅姆ROHM第四代碳化硅SiC芯片的電機(jī)控制器

 

碳化硅SiC電控系統(tǒng)的開發(fā)難點(diǎn)主要在于SiC模塊的本體設(shè)計(jì)及高速開關(guān)帶來的系統(tǒng)EMC問題應(yīng)對(duì)。臻驅(qū)科技開發(fā)的這臺(tái)電機(jī)控制器采用了日本羅姆ROHM最新發(fā)布的第四代碳化硅SiC芯片。相較于傳統(tǒng)的IGBT器件，SiC器件在實(shí)際多芯片并聯(lián)應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多本體設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如多芯片間的電流不均衡會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的熱不均限制芯片的滿額使用（如圖1改善前與改善后的對(duì)比），芯片結(jié)電容與回路漏感構(gòu)成的LC諧振，同時(shí)高的di/dt在回路漏感上產(chǎn)生較大的電壓過沖限制了模塊的輸出能力等，綜合來看重點(diǎn)在于多維度設(shè)計(jì)考慮，避免單一因素的短板效應(yīng)制約SiC在輸出能力、效率等方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)還需考慮工藝及成本選擇適合現(xiàn)有系統(tǒng)的封裝方案，而不是一味地引入新的材料和工藝技術(shù)。

 

圖1：改善前

 

圖1：改善后

 

SiC的引入也直接帶來了更大的di/dt及dv/dt噪聲，伴隨而來的則是更嚴(yán)峻的EMC和軸電流問題。（如下圖2可看到SiC較IGBT噪聲的變化）同時(shí)DC線纜無屏蔽層配置也對(duì)高壓濾波器的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。不過值得慶幸的是，對(duì)于電橋產(chǎn)品，AC側(cè)采用和電機(jī)直插的形式，幫助優(yōu)化了高頻由于原高壓線纜帶來的行波諧振問題（圖3）。諸如此類的分析都需要基于電磁學(xué)本質(zhì)，在開發(fā)早期進(jìn)行定量分析，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)EMC濾波器、板卡布局、結(jié)構(gòu)屏蔽等。

 

 

圖2  重復(fù)性脈沖頻譜對(duì)比，相較IGBT可看到由于SiC高速開關(guān)帶來的MHz級(jí)幅值抬升，以及振蕩帶來的20MHz左右頻譜尖峰

 

圖3  基于單電控的噪聲頻率對(duì)比，AC側(cè)采用直插形式后可觀察到原長(zhǎng)線纜帶來的高頻行波振蕩消除

 

除產(chǎn)品設(shè)計(jì)外，科學(xué)測(cè)試及DoE也是開發(fā)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在過去的半年中，臻驅(qū)科技團(tuán)隊(duì)與上汽大眾緊密配合，快速迭代完成了數(shù)輪測(cè)試驗(yàn)證。在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月的開發(fā)周期后，12月1日，這款由臻驅(qū)科技與上汽大眾共同開發(fā)的碳化硅SiC“三合一”電橋亮相大眾IVET創(chuàng)新技術(shù)論壇。根據(jù)上汽大眾方面測(cè)試顯示，這款碳化硅SiC“三合一”電橋產(chǎn)品不僅完美匹配MEB平臺(tái)的嚴(yán)苛技術(shù)需求，而且效率對(duì)比目前產(chǎn)品有了全方面提升。其中，臻驅(qū)科技開發(fā)的碳化硅SiC電控的最高效率達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的99.9%，未來搭載該產(chǎn)品的ID 4X車型可提升至少4.5%的整車?yán)m(xù)航里程。這也是臻驅(qū)科技的碳化硅技術(shù)對(duì)于電動(dòng)車效率優(yōu)勢(shì)，首次在國際一線主機(jī)廠得到印證。

 

此預(yù)研項(xiàng)目的碳化硅SiC“三合一”電橋的產(chǎn)品性能同樣得到德國大眾狼堡同事的高度評(píng)價(jià)和一致認(rèn)可：“該款碳化硅SiC‘三合一’電橋性能非常出色。對(duì)比現(xiàn)有的電橋產(chǎn)品，這款碳化硅SiC“三合一”電橋在能耗方面每百公里可節(jié)約0.645kW·h電能，而在EMC方面的成績(jī)也毫不遜色，很多分項(xiàng)成績(jī)甚至實(shí)現(xiàn)了反超。”

 

2020年臻驅(qū)科技基于自研仿真測(cè)試工具測(cè)得搭載臻驅(qū)碳化硅SiC電控的整車能耗，對(duì)比傳統(tǒng)IGBT方案續(xù)航里程可增加4.4%。 而此次與上汽大眾合作測(cè)得數(shù)據(jù)為4.5%。兩者極其接近的結(jié)果充分印證臻驅(qū)科技扎實(shí)的研發(fā)能力和仿真工具的精確表現(xiàn)，同時(shí)更堅(jiān)定了臻驅(qū)科技在純電動(dòng)汽車的碳化硅路線方案，未來臻驅(qū)科技將進(jìn)一步擁抱電動(dòng)化未來，助力全球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。