高密度碳化硅功率模塊迎接電動方程式挑戰(zhàn)

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

電動方程式錦標賽始于 2014 年，在 2018 年獲得 ABB 贊助后，目前被稱為“ABB FIA 電動方程式錦標賽”，需要全面優(yōu)化的功率半導體模塊，例如最新一代的功率轉(zhuǎn)換器。由于其競爭性質(zhì)，F(xiàn)ormula E 包括商業(yè)電動汽車所沒有的特定要求。一個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賽道上的指定賽道時激活，在一定時間內(nèi)為電機提供額外的 35 kW 功率。攻擊模式的使用，通過藍光指示在 Halo 設備上進行監(jiān)控，

電動方程式要求

作為一項競爭性挑戰(zhàn)，F(xiàn)ormula E 主要側(cè)重于在錦標賽期間實現(xiàn) PM 的出色表現(xiàn)，因此，長期可靠性和成本等要求不如商用電動汽車重要。功率密度（或每單位表面的電流）、重量功率比和即時滿功率可用性都是電動方程式的強制性要求。一個優(yōu)點是逆變器的設計具有更大的靈活性，因為批量生產(chǎn)更加輕松要求和更手動的逆變器組裝過程。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。

設計注意事項

與許多其他應用一樣，考慮到 SiC 是一種很有前途的替代技術，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鍵因素的應用，F(xiàn)ormula E 可以從逆變器設計中 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，以滿足日益增長的需求電動汽車市場。

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

面向電動汽車市場的 RoadPak 基線設計基于 8 個并行 SiC 芯片，在不改變外形的情況下可以增加到 10 個。這是最實用的解決方案，因為由于制造中的良率挑戰(zhàn)，增加單個 SiC 芯片的活性表面受到限制（目前市場上的 SiC MOSFET 的活性面積小于 30 mm 2）。正如熱模擬所證實的那樣，由于相鄰芯片之間的熱串擾，并聯(lián)連接幾個 SiC 會導致更差的熱擴散和熱阻 （R th ）的增加，需要仔細考慮。

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. 傳導損耗在限制的最大電流，它是MOSFET的（R的信道導通狀態(tài)電阻的一個主要功能發(fā)揮的最相關的角色的RDS（on）根據(jù)下式導通期間）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是強制性的，但必須考慮生命周期的權衡?；?SiC 的 PM 提供的另一個優(yōu)勢是它們的低開關損耗，包括導通 （E on ）、關斷 （E off ） 和反向恢復損耗 （E rec ）。然而，應該注意的是，開關頻率越高，功率模塊中的總開關損耗就越高。除了 R DS（on），最大電流取決于最大結溫 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。而市場上大多數(shù) SiC MOSFET 的額定值為 T Jmax150°C 至 175°C，當前 RoadPak 模塊的額定溫度為 175°C，并且趨勢是將 T Jmax增加到 200°C。

與商用電動汽車不同，F(xiàn)ormula E 汽車不愿意在極低的環(huán)境溫度下運行，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降低系統(tǒng)中的壓降，因此需要更小、更輕的泵。經(jīng)過仔細研究，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，熱阻還受設計選擇的影響，例如芯片連接材料和厚度、基板陶瓷類型和底板設計。對于 RoadPak，選擇了燒結貼片材料，因為它在功率循環(huán)期間具有更高的可靠性、更低的電阻和更高的熱導率。與焊接相比，用于芯片連接的薄而致密的銀燒結層（具有 320 W/mK 的熱導率）實現(xiàn)了約 5% 的熱阻降低。關于 RoadPak 設計的散熱器/底板，由于銅具有更高的熱導率（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），通常預計帶有銅基板的模塊在被動功率循環(huán)中的壽命較短。然而，通過仔細選擇與整體功率模塊設計的有效 CTE 相匹配的模塑料，在 RoadPak 設計中有效地補償了 Cu 基板高 CTE 的負面影響。電源模塊布局在電磁設計方面需要特別注意。為了達到高額定電流，并且由于 SiC MOSFET 的尺寸小，必須并聯(lián)多個 SiC 器件。出現(xiàn)的非均勻開關會導致設備的振蕩和寄生導通增加。這些不良影響還可能導致電流降額或開關速度受限，從而降低 SiC MOSFET 的低損耗優(yōu)勢。RoadPak 1. 電動方程式的 2-kV 設計得到優(yōu)化并制造了模塊，旨在達到最大可能的功率密度。經(jīng)驗證的 Z優(yōu)化的 6Pak 設計的第 th曲線（對單位功率階躍的瞬態(tài)溫度響應）如圖 2 所示。

圖 2：經(jīng)過驗證的 RoadPak 模塊的 Zth 曲線

由于 PM 熱管理和整體冷卻系統(tǒng)的改進，在圖 2 所示的條件下實現(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 I rms 》 900 A，并具有干凈的開關，這使 RoadPak 成為適用于要求嚴苛應用的基準 SiC 功率模塊。