百纳热电偶

论文摘要

碳化硅控制器是为了满足纯电动汽车对电机控制器的高功率密度要求而设计的。阐述了碳化硅控制器的总体电气原理设计方案,并详细分析了其结构、硬件和软件设计方案。提出了一种基于碳化硅MOSFET模块的碳化硅控制器设计方案,并对碳化硅控制器的散热效果进行了仿真。最后,在台架上对碳化硅控制器样机进行了测试和验证。测试结果表明,所设计的碳化硅控制器具有良好的控制性能。

电动汽车用碳化硅控制器的开发与测试

陈登峰1,2,梅1,2,文1,2

(1)上海汽车电气传动有限公司,上海201806;2.上海电气传动有限公司,上海201806)

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随着新能源汽车发展上升为国家战略,新能源汽车已经越来越普及到生活的方方面面。作为新能源汽车的核心部件之一,电机控制器的发展趋势是大功率、高效率、高集成度和高工作温度[1]。传统的硅基IGBT工作温度低,开关频率低,限制了相同体积要求下电机控制器功率密度的进一步提高。碳化硅基MOSFET作为由碳化硅制成的半导体封装模块,具有更高的工作温度和更高的开关频率,可以满足在相同体积条件下大幅度提高电机控制器功率密度的要求[2-4]。

针对这种高功率密度的要求,本文研制了一种用于电动汽车的碳化硅控制器。重点介绍了碳化硅控制器的结构、硬件和软件设计方案,并详细研究了碳化硅MOSFET模块的冷却散热方案。温升仿真和台架试验结果表明,所研制的碳化硅控制器具有良好的电机控制器性能和突出的散热效果。

1控制器设计

1.1控制器结构和电气设计

碳化硅模块的选择需要考虑峰值电压、经验裕度、供应商的实际产品情况以及系统的最大反电动势要求。经过比较,最终选择Starr 900 V/800 A双面散热碳化硅模块作为碳化硅控制器。该模块具有双面冷却、SiC芯片双面焊接、低损耗、高频、高可靠性、高集成度设计等优点。碳化硅MOSFET模块模型如图1所示。

百纳热电偶插图

图1碳化硅MOSFET模块模型

碳化硅控制器采用并排布置的三个碳化硅MOSFET模块,由夹层结构的双面水冷散热器夹紧,可以满足碳化硅MOSFET模块的双面冷却散热。碳化硅控制器结构布置的爆炸图如图2所示。主要包括上盒盖、薄膜电容、两相插件、三相模块、滤波模块、盒体、PCBA板、下盒盖、散热器和碳化硅模块。

图2碳化硅控制器结构布置分解图

碳化硅控制器主要用于控制驱动电机实现精确的扭矩和速度输出,保证整车的正常运行,大大提高整个系统的效率。整车高压电池输出的DC电流经薄膜电容整流后进入模块的驱动电路,高压电池的DC电流转换成交流电流,通过控制板直接输入驱动电机,完成整个逆变过程[5-8]。碳化硅控制器的电气设计原理框图如图3所示。

图3碳化硅控制器电气设计原理框图

1.2控制器的硬件设计

碳化硅控制器的硬件电路采用最新的二合一电路板设计方案,控制单元和驱动单元集成在同一块PCBA板上。该板卡主要包括弱电供电电路、通信电路、温度采样电路、电压采样电路、电流采样电路、位置检测电路、驱动电路、逻辑保护电路等模块。

1.2.1弱电电源电路

碳化硅控制器的弱电电源电路框图如图4所示。其中,电源模块要保证碳化硅控制器能在6 ~ 18 V下正常工作,第一级采用非隔离buck-boost变换拓扑,15 V输出给旋转变压器位置传感器的激励电源,15 V输出通过隔离变换器给碳化硅控制器的驱动单元。将15 V的电压降至5 V,为传感器、比较器、运算放大器电路和通信电路供电。5 V的电压通过LDO降低到3.3 V,为控制芯片提供电源。

图4弱电电源电路框图

通信电路

碳化硅控制器的通信电路框图如图5所示。碳化硅控制器设计有带唤醒功能的CAN通信电路。CAN通信芯片采用TI公司生产的TJA1041T芯片,包含浪涌吸收保护电路、阻抗匹配的终端电阻网络、抑制电磁噪声的共模和差模电路。

图5通信电路框图

温度采样电路

碳化硅控制器温度采样电路框图如图6所示。电机、SiC模块和PCBA均采用双通道温度采样电路。本文设计的碳化硅控制器能够实时、准确地监测芯片的温度,为碳化硅温度监测和保护策略的制定提供了良好的前提。电机温度采样还配有双冗余结构,提高电机热电偶或温度采样电路单点故障后的输出可靠性;此外,还设计了PCBA电路板的温度监控,以保证控制和驱动系统的稳定性。

图6温度采样电路框图

1.2.4高压采样电路

系统的高压采样电路框图如图7所示。高压分压后,由线性光耦隔离,经过运算放大器调理电路,再进行低通滤波处理。最后,模拟信号被送到微处理器。所设计的电路在200 ~ 470 V的电压范围内,采样精度可以保持在1%以下。

图7高压采样电路框图

1.2.5相电流采集电路

碳化硅控制器相电流采样电路框图如图8所示。系统采用高精度(±1%)和高线性(±1%)的霍尔电流传感器。其信号经过共模和差模噪声抑制、低通滤波、比例调节,然后低通滤波,最后将模拟信号传输到主控芯片,实时采集和监测相电流。使用3路相电流传感器可以实现实时冗余比较和验证,符合功能安全发展的要求。

图8相电流采样电路框图

1.2.6逻辑处理保护电路

碳化硅控制器的逻辑保护电路框图如图9所示。逻辑保护单元的作用主要是对过压、过流、超温以及关键ic芯片故障进行采集和处理,然后通过硬件逻辑直接禁止驱动单元,使电机控制器系统快速进入安全状态,同时将逻辑故障结果反馈给主控芯片进行故障存储处理。

图9逻辑处理保护电路框图

驱动电路

碳化硅控制器的驱动电路框图如图10所示。采用安华高的ACFJ-3439T作为碳化硅控制器的驱动芯片。该芯片的主要功能包括模块过流检测、驱动欠压检测、软关断、负压关断等。与传统硅基模块相比,其导通电阻和关断电阻更小,目前设计在1.5ω以内,开关速度更快,开关损耗更小。

图10驱动电路框图

1.3控制器软件设计

碳化硅控制器在本文中采用的永磁同步电机(PMSM)控制算法的原理框图如图11所示。电机控制系统根据转矩需求,结合最大转矩电流比(MTPA)、恒功率弱磁和最大转矩电压比(MTPV)轨迹中转速与母线电压之间的关系,查表得到合理的D、Q轴电流指令值,再通过电流调节器(一般为PI调节器)调节所需的D、Q轴电压。最后,通过空之间的坐标变换和矢量脉宽调制

图11电机控制算法的原理框图

本文基于AUTOSAR分层开发碳化硅控制器的软件体系结构。控制单元的软件体系结构抽象地分为三个块,即应用层(ASW)、运行时环境(RTE)和基本软件层(BSW)。软件架构的原理图如图12所示。其中,ASW包含几个软件组件(SWC),每个SWC包含几个运行实体(re)。相关控制算法封装在re中,可由RTE事件触发,通过端口与外界通信。RTE通过一系列RTE接口功能将软件和硬件解耦。实现了SWCs之间以及SWC和SWCs之间的数据交换,并控制了它们之间的交互。

图12碳化硅控制器软件架构示意图

BSW的基础软件层包括底层驱动相关模块,可细分为服务层、ECU抽象层、复杂驱动层和微控制器抽象层。高度分层和模块化的设计实现了软件和硬件的解耦,大大提高了软件模块的可重用性。

1.4冷却设计和模拟

碳化硅控制器双面冷却散热器的结构如图13所示。本文碳化硅控制器配有三个碳化硅MOSFET模块,并排排列,由夹层结构的双面冷却散热器夹紧。双面冷却散热器通过板簧的弹性变形压紧固定,散热器表面与碳化硅MOSFET模块的冷却面紧密贴合,满足碳化硅MOSFET的双面冷却。

图13双面冷却散热器结构

薄膜电容固定在箱体底部,薄膜电容的正负输出端设计有端部叠层结构,以减少寄生电感,薄膜电容的正负输出端分别与模块的正负输入端激光焊接。双面散热器的冷却通道采用平行结构设计,中间夹有三个模块。工作时,冷却液从双面散热器的入口流入,然后进入散热器,冷却液被分成四个平行的部分,最后汇集在双面散热器的出口,完成整个碳化硅MOSFET模块的双面冷却。

峰值输出条件下碳化硅模块的瞬时温升最高,因此用有限元法模拟峰值输出条件下模块的瞬时温升,研究碳化硅MOSFET模块内部芯片的温度分布,如图14和图15所示。

图14碳化硅模块的温度分布

图15碳化硅模块的温度曲线

从图14~图15可以看出,峰值工况下模块芯片的温度为140.56℃。目前碳化硅MOSFET的长期使用耐温在175℃以上,可以满足电动汽车的长期使用要求。

2电机控制台框架测试

碳化硅控制器在工作台上进行负载测试。碳化硅模块型号为MD800HFC90N3S,负载电机为PMSM,峰值功率120 kW,峰值扭矩275N·m,对碳化硅控制系统进行了控制器通断试验、外特性试验、控制器效率对比试验和控制器温升对比试验。

2.1打开和关闭测试

本文中的碳化硅控制器进行了通断测试,测试结果如图16所示。从图16(a)可以看出,碳化硅模块的开关速度可以控制在100纳秒的量级,相比传统硅模块微秒级的开关速度有了很大的提高。从图16(b)可以看出,当控制器的相电流为591 A时,碳化硅模块关断,此时产生的电压峰值为200 V,在母线电压为352 V的情况下,碳化硅模块的最高集电极电压仅达到571 V左右,而本文选用的碳化硅模块的额定耐受电压为900 V,因此,碳化硅控制器在提高碳化硅模块开关速度的同时,可以有效地将峰值电压控制在最佳安全区域。

图16碳化硅控制器的开/关波形

2.2系统外特性测试

在额定电压320 V下,测试碳化硅电机控制系统的空载特性,结果如图17所示。从图17可以看出,电机控制系统的峰值功率和峰值扭矩可以达到120 kW和275N·m,并且具有比较稳定的外特性输出。

图17 sic电机控制系统外部特性测试

2.3硅控制器效率比较测试

碳化硅和硅控制器的测试条件如表1所示。碳化硅控制器的效率如图18所示。

表1碳化硅和硅控制器的测试条件

从图18(a)可以看出,碳化硅控制器的最高效率达到98.7%,碳化硅控制器效率大于85%的高效区比例达到94.19%。从图18(b)可以看出,硅控制器的最高效率达到98%,硅控制器效率大于85%的高效区比例达到89.7%。可以看出,碳化硅控制器的效率有了明显的提高,硅控制器的高效区面积扩大了5%左右。

(一)碳化硅控制器效率

(b)硅控制器效率

图18碳化硅控制器和硅控制器的效率比较

2.4控制器温升对比试验

为了更好地比较碳化硅控制器和硅控制器的温升性能,保持两种控制器的开关频率统一在10 kHz,冷却液入口温度统一在65℃,对碳化硅控制器和硅控制器的峰值温升进行了对比测试,对比测试曲线如图19所示。

(一)碳化硅控制器的温升曲线

(b)硅控制器的温升曲线

图19碳化硅和硅控制器的温升对比试验

根据图19峰值工况持续30 s的温升测试结果,碳化硅控制器最高峰值温度为71.3℃,控制器温升8k;;硅控制器的峰值温度为108℃,控制器温升为42.65 K,可以看出,在相同负载和频率条件下,本文设计的碳化硅控制器的30 s峰值温升明显低于常规硅控制器。

3结论

本文研制了一款用于电动汽车的碳化硅控制器,为高密度电机控制器的驱动控制提供了很好的解决方案。首先阐述了碳化硅控制器的结构设计方案和电气原理。然后详细介绍了电机控制器的硬件设计和软件设计,提出了并联夹层冷却水道的结构设计方案,并通过热仿真得出所研制的碳化硅控制器具有良好的冷却效果。最后,对所开发的碳化硅控制器进行了负载测试和比较,结果表明碳化硅控制器的效率比硅控制器有明显提高,具有良好的控制性能。

来源:电机和控制应用

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