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走捷径进行电动汽车牵引逆变器开发

2023-10-26 13:58:27 来源:CISSOID 点击:5390
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世界各国政府希望在未来几年内停止销售汽油和柴油汽车,有的最早到 2030 年就要停止。据此,市场研究专家Statista预计,未来四年电动汽车市场收入将呈现 17.02% 的惊人年增长率(CAGR),预计到 2027 年市场规模将达到 8580 亿美元。

面对这些预测,可以理解的是,不仅汽车公司,还有各个运输行业都在忙于实施数十年来最大的运营变革,这对电动汽车动力总成设计提出了许多挑战。对于大多数汽车工程师来说,电动汽车动力总成技术代表着新的领域,需要大量资源和时间来创建安全高效的解决方案。碳化硅(SiC)正是在这方面发挥了主要优势。

电动汽车技术方面显而易见又被忽略的事实当然是里程焦虑。虽然这里的重点是电池容量,但动力传动系统和汽车系统电子设备也必须证明是高效的,并且能够在苛刻的条件下实现大功率最佳性能。正如许多权威机构所确认的,这就是SiC受到关注的原因。例如,英国先进推进中心,从硅电力电子设备转换为基于碳化硅的电力电子设备可以提高约 10% 的效率。

SiC的特性还使设计人员能够创建尺寸、重量和形状系数大幅减小的电源系统。尽管有这么多好处,工程师应该注意,使用SiC进行设计与使用传统的硅MOSFET或IGBT不同。大多数细微差别涉及特殊技术的使用,这些技术有助于高速开关时的安全操作。

为了降低工程资源成本并缩短上市时间,需要完全集成的解决方案。CISSOID的SiC牵引逆变器开发平台满足了这一需求,支持高达 850V/350kW 的传动系统设计。该参考设计的核心组件包括: 三相 1200V 智能功率模块(IPM),具有强大且耐高温的栅极驱动器,针对SiC应用进行了全面优化;电机控制板和可定制软件;直流和相电流传感器、紧凑型液体冷却器;专门设计的高密度直流支撑电容器和EMI滤波器。

CISSOID 高压 SiC 逆变器参考设计

图 1.CISSOID高压SiC逆变器参考设计

这些嵌入式构建组块中的每一个都在提供平台的全面功能和模块化方面发挥着重要作用。

CISSOID的三相液冷 1200V SiC MOFSET IPM(图 2)可充分发挥 SiC技术的优势,通过低开关损耗和高温运行帮助开发人员实现大功率密度。CISSOID的SiC IPM产品组合采用模块化设计来满足不断变化的电压/电流要求,包括最大持续电流能力从 340A 到 550A 的模块。IPM由三个碳化硅MOSFET半桥组成,与最先进的IGBT功率模块相比,开关损耗至少降低了三倍。

CISSOID 的三相 1200V 340A-550A 智能功率模块(IPM)

图 2.CISSOID的三相 1200V 340A-550A 智能功率模块(IPM)

为了充分利用快速开关和低损耗SiC MOSFET,工程师需要快速、强大且稳健的栅极驱动器。将栅极驱动器与功率模块集成在一起,就开关速度和损耗、针对 dI/dt 和 dV/dt 的鲁棒性以及功率级的保护而言,可以直接获得经过充分验证和优化的解决方案。

CISSOID的优化栅极驱动器提供超过 10A 的高峰值电流,同时还提供高达 125℃ 环境温度下的运行能力。简而言之,优化的栅极驱动器有助于最大限度地减少提供完美模块性能和热管理所需的迭代次数。

SiC电源模块能够更快地开关并以更高的频率运行,因此必须采用能够更快地运行实时算法的控制器技术。

CISSOID基于芯力能(Silicon Mobility)公司的 OLEA® T222 FPCU,开发了一款控制板,可为汽车电机控制应用提供实时处理、控制和功能安全(获得 ISO 26262 ASIL-D Ready 功能安全证书)。控制硬件和软件有效地处理来自电机位置、电流和温度传感器的信号。值得注意的是,控制板和 IPM 之间的机械和电气集成消除了开发人员道路上的另一个障碍。

该平台集成了芯力能公司的OLEA APP INVERTER控制软件(图 3),而工程师可以使用OLEA COMPOSER设计工具来缩短开发和优化电机控制软件所需的时间。

芯力能公司的 OLEA APP INVERTER 控制软件

图 3.芯力能公司的OLEA APP INVERTER控制软件

还有两个设计要点值得注意。第一,CISSOID提供 3D 打印冷却器参考设计,用于冷却和快速评估电源模块(图 4)。第二,CISSOID与NAC Semi和Advanced Conversion合作创建了一种电感和ESR非常低的高密度直流支撑电容器,为开发人员提供充分的自由度来利用SiC MOSFET的快速开关能力。

CISSOID 的 SiC 逆变器平台包括 SiC IPM、控制板、紧凑型液体冷却器和低 ESL 直流支撑电容器

图 4.CISSOID的SiC逆变器平台包括SiC IPM、控制板、紧凑型液体冷却器和低ESL直流支撑电容器

最终,CISSOID独特的硬件和软件模块化平台让开发人员能够在短短几个月内开发高度紧凑、高效且极其安全的 SiC牵引逆变器或有源整流器。与传统OEM时间表相比,这可以节省一到两年的SiC逆变器开发时间。

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