800V功率模塊如何選擇IGBT或SiC器件？

我之前一直以為 Taycan 用的是 Delphi 的 SiC 的器件，但是根據(jù)目前日立所 AMS 披露的，包括 Taycan 里面維修手冊所描述的情況來看，情況并不是這樣。

圖 1 2020 年后的電壓和功率系統(tǒng)

01、800V 下的 IGBT 模塊

這份報告的原文為《High Voltage and High Power Density Technologies for Inverter in Vehicle》。

圖 2 信息的發(fā)表來源

這里最讓人驚訝的部分，就是 Taycan 是沿用了原有的 IGBT 模塊的，如下所示。日立 AMS 開發(fā)的逆變器改良了整體的絕緣設(shè)計(jì)，核心是在之前的基礎(chǔ)上改進(jìn)了并推出了適用 800V 的功率模塊。新的功率模塊匹配 800V 系統(tǒng)，達(dá)到了 94kVA/L 的功率密度。系統(tǒng)電壓要從 400V 提高至 800V，在功率模塊層面主要需要提高耐電壓水平，通過優(yōu)化模塊的封裝設(shè)計(jì)及使用的絕緣結(jié)構(gòu)，避免了增加模塊的尺寸。功率模塊由兩個功率元件串聯(lián)而成，采用二合一封裝，IGBT 及引線框架等元件均采用了轉(zhuǎn)印模具密封，并進(jìn)一步封裝在鋁制模塊殼體中，采用雙面冷卻。

圖 3 日立的 IGBT 模塊

圖 4 日立的雙面冷卻技術(shù)從 2015 年左右進(jìn)入成熟期

絕緣處理方面，除了將絕緣體完全覆蓋在施加高電壓的電極上進(jìn)行絕緣以外，還能通過設(shè)置絕緣距離進(jìn)行絕緣，但需要同時確?？臻g距離與爬電距離。為了延長絕緣樹脂件的爬電距離，增加筋和槽，在總線端部設(shè)置倒角形狀。下圖樹脂絕緣部分的截面圖，功率模塊的銅排被絕緣樹脂隔開，為了延長爬電距離，除了在垂直方向上增加樹脂的高度之外，還通過在絕緣樹脂與總線接觸的地方開缺口來保證爬電距離。

圖 5 功率模塊的絕緣設(shè)計(jì)

功率模塊樹脂片對焊接了功率器件的引線框架和散熱片進(jìn)行絕緣，樹脂片大量填充了負(fù)責(zé)向散熱片導(dǎo)熱的陶瓷填料，實(shí)現(xiàn)了薄膜化，保證了較高的散熱性能。但由于絕緣片與引線框架和散熱片粘合時產(chǎn)生的小空隙可能會導(dǎo)致介電強(qiáng)度下降，因此導(dǎo)體箔被層壓在絕緣片的內(nèi)部。功率模塊使用的絕緣片內(nèi)部疊有導(dǎo)體箔，防止局部放電。 當(dāng)施加到空隙的空氣層的電壓高于空氣的介電擊穿電壓時，就會發(fā)生局部放電，通過用導(dǎo)體箔對施加到絕緣片的電壓進(jìn)行分壓來減小空隙的電場。利用導(dǎo)體箔、引線框架與散熱片之間的電位差分壓至上下兩層絕緣片，將導(dǎo)體箔的電位固定為中間電位，改善絕緣片的局部放電特性。

圖 6 絕緣特性的設(shè)計(jì)

02、SiC 的使用和路徑

在整理 11kW 交流充電機(jī)方面，這里的 H 橋電路部分，應(yīng)該都是使用 SiC 器件來做的，包括保時捷自己后續(xù)采用的直流充電樁里面也采用了 SiC 模塊。

圖 7 交流充電機(jī)的 SiC 使用

在《4E Power Electronic Conversion Technology Annex》一文中給出了一些 SiC 的使用路徑，可能可以參考。

小結(jié)：我之前一直以為 Taycan 是最早使用 SiC 全套的車型，從 Taycan 開始開發(fā)的時間到 2019 年量產(chǎn)，我們能看到保時捷的工程師對于驅(qū)動逆變器應(yīng)用并不特別成熟的技術(shù)的猶豫，到 2022 年的 PPE 平臺，會大量使用 SiC 技術(shù)。

編輯：hfy