基于SIC功率模塊的200kW車載逆變控制器介紹

在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制器中，逆變控制器是實(shí)現(xiàn)能量交直流轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的能量回收或是提供交流電源。市場(chǎng)對(duì)于逆變控制器的能量傳輸效率、功率密度、價(jià)格等方面的要求越來(lái)越高。而功率模塊又是逆變器實(shí)現(xiàn)高傳輸效率、高功率密度的關(guān)鍵器件，目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)，存在開(kāi)關(guān)頻率低、損耗大的缺點(diǎn)，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(shì)：更高的擊穿電壓強(qiáng)度；更低的損耗；更高的熱導(dǎo)率。這些特性意味著SiC器件可以用在高電壓、高開(kāi)關(guān)頻率、高功率密度的場(chǎng)合。隨著SiC模塊功率制造水平的提高，SiC 將會(huì)是越來(lái)越適合車載逆變控制器的半導(dǎo)體器件，采用SiC器件+水冷散熱是實(shí)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(shù)中車載逆變器體積大，超重量的問(wèn)題。

控制器包括如下單元：

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

功率驅(qū)動(dòng)單元：兩單元的隔離集成SIC模塊驅(qū)動(dòng)模塊直接焊接在三相逆變單元上，再通過(guò)排線連接到控制單元，可將控制單元經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算出來(lái)的占空比變化的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為SIC模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；

可控制動(dòng)單元：通過(guò)控制單元的母線電壓采樣，實(shí)時(shí)監(jiān)控母線電壓值，通過(guò)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(jī)負(fù)載出現(xiàn)電流反灌時(shí)，避免因反灌能量導(dǎo)致母線電壓過(guò)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(hào)、功率模塊溫度信號(hào)、進(jìn)出水口溫度和逆變控制器內(nèi)部溫度、直流母線電壓信號(hào)；

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)控制單元：控制單元集成了DSP、FPGA和ARM三個(gè)控制芯片及外圍擴(kuò)展FLASH及RAM；控制單元與采樣反饋單元及上位機(jī)連接，用于接收上位機(jī)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(hào)、電壓信號(hào)和溫度信號(hào)；

支撐電容單元：包括在3個(gè)SIC功率模塊的正負(fù)端子與正負(fù)輸入接口之間連接的大容量的薄膜電容，在每個(gè)SIC功率模塊的正負(fù)端子之間連接的小容量的薄膜電容，以及在正負(fù)母排之間連接的放電電阻，用于濾波并儲(chǔ)存電能，消除母線電壓波動(dòng)帶來(lái)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(fù)排之間連接了兩個(gè)安規(guī)電容，在正母排與外殼地之間連接了一個(gè)安規(guī)電容板，在負(fù)母排與外殼地之間連接了一個(gè)安規(guī)電容板，用于處理因采用SIC功率模塊，提高了開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致的電磁干擾的問(wèn)題；

水冷單元：逆變控制器在3個(gè)SIC功率模塊背面的下方安裝了一個(gè)水冷單元，包括一水冷散熱器，所述水冷散熱器上開(kāi)設(shè)有有第一開(kāi)孔和第二開(kāi)孔，第一開(kāi)孔設(shè)置在三相逆變單元的右側(cè)下方以供冷卻水的流入，第二開(kāi)孔設(shè)置在三相逆變單元的右側(cè)上方以供冷卻水的流出，水冷單元用于整機(jī)三相逆變控制器進(jìn)行降溫保護(hù)；

溫度保護(hù)單元：在每個(gè)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(kāi)孔位置安裝一個(gè)溫度傳感器，用于進(jìn)水口溫度的采集，在水冷散熱器的第二開(kāi)孔位置安裝一個(gè)溫度傳感器，用于出水口溫度的采集；在功率室安裝一個(gè)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(dǎo)體作為功率轉(zhuǎn)換器件，與傳統(tǒng)基于SI(硅)半導(dǎo)體IGBT的逆變器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)速度快，外圍配套LC濾波器更小。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，在相同的功率等級(jí)下，設(shè)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(shí)效率也有大幅度的提升。同時(shí)采用了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)布局方式，使整個(gè)逆變控制器中的雜散電感大大減少，對(duì)于系統(tǒng)間各部件的干擾也相應(yīng)減少。通過(guò)對(duì)逆變控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(kāi)關(guān)頻率達(dá)到20kHZ，電流諧波更低；從而實(shí)現(xiàn)整機(jī)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