新能源汽車功率器件損耗特性和效率分析

陳明文，張 浩，王 亮Chen Mingwen，Zhang Hao，Wang Liang

新能源汽車功率器件損耗特性和效率分析

陳明文，張 浩，王 亮
Chen Mingwen，Zhang Hao，Wang Liang

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518118）

面對(duì)新能源汽車的續(xù)駛里程焦慮，優(yōu)化電控系統(tǒng)效率是有效解決方案之一。作為電控系統(tǒng)的核心部件，功率器件的損耗計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提升電控系統(tǒng)效率具有重要意義。首先對(duì)兩種主流功率器件Si IGBT和SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)和材料性能進(jìn)行分析，然后針對(duì)各自工作特性，給出對(duì)應(yīng)的損耗計(jì)算方法；同時(shí)選取典型工況結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，分析兩種功率器件的損耗和效率。

功率器件；損耗計(jì)算；工況；效率

0 引 言

新能源汽車損耗關(guān)系著消費(fèi)者的使用成本，是確定電池容量的關(guān)鍵指標(biāo)，也是影響續(xù)駛里程的關(guān)鍵參數(shù)[1-2]。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)控制器損耗主要由逆變電路中功率器件的發(fā)熱損耗構(gòu)成，降低功率器件損耗是提升電控效率的關(guān)鍵技術(shù)。采用第3代半導(dǎo)體SiC（碳化硅）作為襯底材料的功率器件可以顯著降低損耗，提升耐溫可靠性，已應(yīng)用在多款新能源車型上[3-4]。

本文首先分析目前主流的Si（硅）襯底IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）和SiC襯底MOSFET（Metal Oxide Semicon ductor Field Effect Transistor，金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管）二者的材料和結(jié)構(gòu)差異，然后闡述了器件損耗的計(jì)算方法和原理。之后評(píng)估Si和SiC兩種功率器件在相同額定工況下的損耗和效率，選取NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）工況并結(jié)合整車實(shí)際負(fù)載進(jìn)行分析。

1 性能對(duì)比

目前，新能源汽車電機(jī)控制器的最基本功能是直流–交流變換，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，典型的三相全橋逆變電路。圖1框中為1個(gè)開關(guān)單元，在實(shí)際應(yīng)用中每個(gè)單元可由數(shù)個(gè)芯片并聯(lián)組成。在電機(jī)控制應(yīng)用上，主流功率器件是IGBT和MOSFET，二者的頻率、損耗及開關(guān)速度等均滿足應(yīng)用要求。

圖1 直流-交流變換電路

圖2為兩種主流功率器件結(jié)構(gòu)，二者均為立體垂直結(jié)構(gòu)，正面均為MOS（Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)，因此，二者的功能與驅(qū)動(dòng)方法基本相同，MOS開通時(shí)電流均由背面焊接層進(jìn)入，由正面流出。二者也存在差異，IGBT背面注入P型摻雜，形成PIN結(jié)構(gòu)，使其具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大幅降低了體電阻導(dǎo)通壓降，從而降低導(dǎo)通損耗，但背注結(jié)構(gòu)同時(shí)降低了開關(guān)速度，增大了開關(guān)損耗[5]。相同工藝條件下，IGBT與MOSFET的特性對(duì)比見表1。

表1 相同工藝IGBT和MOSFET特性對(duì)比

在目前Si基功率器件工藝制備水平及工程應(yīng)用中，當(dāng)最高耐壓要求小于600 V時(shí)多使用MOSFET器件，超過(guò)600 V時(shí)多使用IGBT器件。對(duì)于新能源汽車，當(dāng)電池最高電壓高于400 V時(shí)，IGBT作為高壓開關(guān)器件是綜合性能更優(yōu)的選擇。

隨著新能源汽車向800 V電壓平臺(tái)升級(jí)，Si基功率器件無(wú)法滿足高可靠性的運(yùn)行要求，以SiC為代表的第3代半導(dǎo)體功率器件應(yīng)運(yùn)而生。SiC相比Si材料，在高耐壓、高頻率及高耐熱性能等方面均占優(yōu)勢(shì)，二者基本性能對(duì)比如圖3[6]所示。

圖3 SiC和Si材料基本性能對(duì)比

SiC功率器件的主要優(yōu)勢(shì)是：

（1）擊穿電壓更高，SiC材料的臨界擊穿電場(chǎng)約為Si材料10倍，則同樣外延層厚度和摻雜濃度下，前者的阻斷能力更高；

（2）比導(dǎo)通電阻更低，SiC材料的臨界擊穿電場(chǎng)較高，在同等級(jí)別耐壓下，SiC器件的摻雜濃度可以更高，外延層厚度可以非常薄，減薄襯底后可以獲得更低的導(dǎo)通電阻[7]；

（3）工作頻率更高，SiC的飽和電子漂移速度較高（Si的2倍）、介電常數(shù)較低，則SiC器件可以工作在更高頻率下，在大功率應(yīng)用中可以比Si功率器件具有更優(yōu)異的高速工作性能；

（4）耐溫更高，SiC的高熱導(dǎo)率和高熔點(diǎn)使其具有更加優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和耐溫性能；目前商用SiC器件的使用結(jié)溫可達(dá)200 ℃，而Si器件為175 ℃，使用上限溫度顯著提高。

結(jié)合實(shí)際工藝，3 000 V以下采用SiC制備MOSFET器件也可以獲得很低的導(dǎo)通損耗，并且疊加MOSFET超低的開關(guān)損耗和高結(jié)溫特性，使SiC MOSFET比Si IGBT適用范圍更廣，可應(yīng)用在Si IGBT不能使用的高溫、高頻環(huán)境，顯著提高功率密度，也更符合新能源汽車電機(jī)控制器高功率密度、小型化的發(fā)展方向。因此，本文從器件損耗計(jì)算原理的角度出發(fā)，綜合對(duì)比分析Si IGBT和SiC MOSFET在相同額定工況下的損耗和效率，同時(shí)結(jié)合整車工況分析兩種器件的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2 功率器件的損耗組成

功率器件一般由開關(guān)器件和二極管組成，Si IGBT模塊由IGBT器件和二極管并聯(lián)組成，SiC MOS模塊由MOSFET器件和二極管并聯(lián)組成。開關(guān)器件和二極管的損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，其中開關(guān)損耗是由電壓和電流的變化引起，開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗[8]，損耗組成如圖4所示。

2) 通過(guò)打通行業(yè)內(nèi)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)各業(yè)務(wù)組成的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗和建模分析，通過(guò)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的價(jià)值，為高速公路管理及其他行業(yè)提供可靠的輔助決策依據(jù)。

圖4 功率模塊損耗組成

當(dāng)開關(guān)頻率較低時(shí)，功率器件損耗主要為導(dǎo)通損耗，當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，損耗主要為開關(guān)損耗。損耗一方面影響系統(tǒng)效率，另一方面會(huì)產(chǎn)生熱量，引起過(guò)高的溫升，對(duì)器件可靠性產(chǎn)生不利影響。損耗分析對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測(cè)及系統(tǒng)可靠性具有重要作用。

2.1 導(dǎo)通損耗

功率器件在通態(tài)下，由于本身存在一定的通態(tài)電阻，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，電阻兩端會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)通壓降，流過(guò)器件的電流與導(dǎo)通壓降乘積即為導(dǎo)通損耗。功率模塊開關(guān)瞬態(tài)的電壓電流如圖5所示，其中0為導(dǎo)通電流增至10%時(shí)刻，1為導(dǎo)通電壓降至2%時(shí)刻，2為導(dǎo)通電壓增至10%時(shí)刻，3為導(dǎo)通電流降至2%時(shí)刻，u和i分別為某一時(shí)刻的電壓和電流。

圖5 功率模塊開關(guān)瞬態(tài)電壓、電流波形

其中1～2為導(dǎo)通狀態(tài)，假設(shè)1～2內(nèi)功率器件端電壓為()，電流為()，二極管導(dǎo)通壓降為F()，則功率器件的導(dǎo)通損耗ssP為

根據(jù)壓降與電流導(dǎo)通電阻on的關(guān)系，式（1）可表示為

二極管在1～2內(nèi)的導(dǎo)通損耗ssD為

2.2 開關(guān)損耗

在第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料不斷擴(kuò)大應(yīng)用的背景下，功率器件逐步向高頻化發(fā)展，開關(guān)損耗對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的影響越來(lái)越重要。功率器件的開關(guān)損耗來(lái)源于開關(guān)的瞬態(tài)過(guò)程，器件兩端的電壓和流過(guò)器件的電流存在交疊時(shí)間。以IGBT為例來(lái)分析其開通和關(guān)斷時(shí)電壓、電流波形，IGBT開通時(shí)端電壓和流過(guò)電流的波形大致如圖5所示，圖5中左側(cè)為開通過(guò)程。

從圖5可以看出，0～1內(nèi)電壓和電流不同時(shí)為0，因此會(huì)產(chǎn)生開通損耗on，即

IGBT關(guān)斷時(shí)端電壓和流過(guò)電流的波形大致如圖5所示，圖5中右側(cè)為關(guān)斷過(guò)程?？梢钥闯觯?～3內(nèi)電壓和電流不同時(shí)為0，因此會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷損耗off，即

3 整車電控?fù)p耗

3.1 計(jì)算方法

電控?fù)p耗主要包括功率器件損耗、直流電容損耗和銅排損耗，功率器件損耗占比最大（>50%），后續(xù)對(duì)比分析中，假設(shè)直流電容損耗和銅排損耗不變。調(diào)制方式采用SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空間電壓矢量調(diào)制）。在三相靜止坐標(biāo)系下，三相兩電平逆變器的交流側(cè)三相電壓A()、B()、C()為3個(gè)幅值相等、相位互差120°的正弦值，假定電壓的基波峰值為m，進(jìn)行矢量求和可得三相電壓空間矢量S為

式中：()為某一時(shí)刻下空間矢量S與主矢量的夾角，如圖6所示。

三相兩電平逆變器共有8種開關(guān)狀態(tài)（000～111），根據(jù)當(dāng)前的期望電壓空間矢量（參考電壓矢量），判斷其所處扇區(qū)位置，通過(guò)兩個(gè)非零基本電壓矢量進(jìn)行合成。

注：V0～V7為基本空間電壓矢量，其中V0、V7為零矢量。

3.2 SiC功率器件的優(yōu)勢(shì)

基于某款車型數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)Si IGBT和SiC MOSFET兩種功率器件的損耗進(jìn)行對(duì)比。額定工作條件下，前者在導(dǎo)通壓降、開關(guān)損耗等方面顯著優(yōu)于后者，二者損耗對(duì)比如圖7所示，后者具有更短的開關(guān)時(shí)間，所以其開關(guān)損耗顯著降低。

圖7 Si IGBT和SiC MOSFET器件損耗分布

計(jì)算得到Si IGBT、SiC MOSFET單橋臂的總損耗，如圖8所示。前者在整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)損耗隨相電流變化近似線性；后者在工作電流低于180 A時(shí)損耗增加速度較為平緩，當(dāng)工作電流超過(guò)180 A時(shí)損耗增加速度逐漸變大；因此，當(dāng)前工作條件下后者損耗明顯低于前者，優(yōu)勢(shì)明顯。

圖8 Si IGBT和SiC MOSFET模塊總損耗與相電流I之間的關(guān)系

3.3 整車工況損耗和效率

為了更好地評(píng)估Si IGBT和SiC MOSFET功率器件在實(shí)際應(yīng)用中的性能，選取NEDC工況計(jì)算二者的損耗和效率，見表2。后者較前者的百公里損耗降低了71%（（1.38－0.40）/1.38×100%=71%），且后者較前者的電控平均效率有所提升。電控平均效率為整個(gè)工況中各點(diǎn)電控輸出功率之和與各點(diǎn)輸入功率之和的比值，其值可由損耗仿真直接得到。

表2 不同功率器件損耗和效率對(duì)比

考慮到工作電流對(duì)電控?fù)p耗有較大影響，對(duì)NEDC工況下電控輸出電流分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖9（a）所示，其中90 A以下電流工況占比為94%，30 A以下電流占比超過(guò)50%。由圖8可知，SiC MOSFET器件在小電流（<150 A）時(shí)能效優(yōu)勢(shì)更顯著。實(shí)際應(yīng)用中，整車工況大致分為輕載和重載兩種，前者指整車在小功率（電流）下運(yùn)行，如一般城市工況；后者指整車在大功率（電流）下運(yùn)行，如加速、爬坡工況等。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析得到整車不同工況的比例分布，如圖9（b）所示，其中輕載比例超過(guò)90%，即整車大部分時(shí)間工作在電流150 A以下。因此，在整車的整個(gè)生命周期內(nèi)，采用SiC MOSFET功率器件更為高效。

圖9 NEDC工況電控相電流分布和整車負(fù)載分布

4 結(jié) 論

本文對(duì)比分析了Si IGBT和SiC MOSFET兩種器件的結(jié)構(gòu)和特性，二者正面均為MOS結(jié)構(gòu)，但前者背面P型摻雜形成的PIN結(jié)構(gòu)使其具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低了導(dǎo)通損耗，但增大了開關(guān)損耗。SiC功率器件具有高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率和高熔點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足新能源汽車對(duì)電控高功率密度、小型化的需求。

對(duì)比了兩種典型功率器件的損耗，Si IGBT的損耗明顯高于SiC MOSFET，在NEDC工況下，后者較前者損耗降低71%、電控效率也有提升。整車實(shí)際運(yùn)行工況下輕載（電流<150 A）比例大于90%，此時(shí)SiC MOSFET電機(jī)控制器效率更優(yōu)，可以增加新能源汽車的續(xù)駛里程，在系統(tǒng)成本可控條件下，采用SiC MOSFET功率器件是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

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2022-10-08

1002-4581（2023）01-0014-05

U469.72+2.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.004