智能功率模塊在新能源汽車中的運用和發(fā)展

戴斌

摘 要：IPM是指的一種新型多功能的混合式集成整流電路，它同時能夠同時將多個大功率將開關(guān)和觸發(fā)保護元件電路模塊和大功率直流驅(qū)動電路、保護與濾波電路、檢測及隔離濾波電路模塊等多個模塊集成和串聯(lián)整合在構(gòu)成了的同一個整流電路模塊組合框架內(nèi)，這種新型高功率諧波變換型集成的濾波保護電路模塊能因此能夠特別地適應當前大功率逆變器系統(tǒng)的高頻化發(fā)展趨勢及其后續(xù)發(fā)展與應用研究方向等領(lǐng)域的廣泛應用的需求。目前，IPM開關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)品一般表現(xiàn)為以大功率IGBT組件等為主要組成基本元素的小功率開關(guān)元件，構(gòu)成覆蓋了所有單相直流變頻器或所有串聯(lián)到三相逆變器母線上變頻器的任意一組專用的開關(guān)功能模塊，在當今許多的中小功率工作小容量變頻器控制系統(tǒng)應用中均得以較為廣泛的得到實際應用。在早期的在全球大多數(shù)的工業(yè)變頻器和控制領(lǐng)域中都能被得到廣泛而大量的采用。智能功率模塊控制系統(tǒng)除了應該將所有智能功率開關(guān)芯片塊和所有功率驅(qū)動電路模塊集成配置連接在一起，而且控制系統(tǒng)同時內(nèi)部還必須應配套設有包括過電壓、過低短路電流、過熱功率報警系統(tǒng)等的各種電路故障自動報警的檢測輸出處理接口電路，并必須負責地將這所有報警檢測處理輸出接口信號全部直流接送輸出給單片機控制CPU。它正因為本身具有比產(chǎn)品體積變得更短小、功能選擇變得多、功耗明顯減小、使用更加簡單且方便操作靈活可靠等具有許多新優(yōu)點。本文探討了智能功率模塊在新能源汽車中的應用及技術(shù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：IPM 新能源汽車 車載裝置 電機 Sic碳化硅

Abstract：IPM refers to a new multi-functional hybrid integrated rectifier circuit， which can simultaneously integrate and series multiple modules such as multiple high-power switching and trigger protection element circuit modules and high-power DC drive circuits， protection and filter circuits， detection and isolation filter circuit modules in the same rectifier circuit module combination framework. This new high-power harmonic conversion integrated filter protection circuit module can therefore be specially adapted to the current high-frequency development trend of high-power inverter system and its subsequent development and application research direction. At present， IPM switching system products are generally manifested as low-power switching components with high-power IGBT components as the main components， which constitute any set of dedicated switching function modules covering all single-phase DC inverters or all inverters connected in series to three-phase inverter bus frequency converters， and are widely used in many small and medium-power working low-capacity inverter control system applications. In the early days， it was widely and massively adopted in most industrial drives and control fields around the world. In addition to connecting all intelligent power switch chip blocks and all power drive circuit module integrated configurations， the intelligent power module control system must also be equipped with various circuit fault detection output processing interface circuits including overvoltage， too low short-circuit current， overheating power alarm system， etc.， and must be responsible for all alarm detection and processing output interface signals all DC transfer output to the single-chip microcomputer control CPU. It has many new advantages such as shorter than the product， more function options， significantly reduced power consumption， simpler to use， and convenient operation， flexible and reliable. This paper discusses the application and technology development of intelligent power modules in new energy vehicles.

Key words：IPM， new energy vehicles， on-board devices， motors， SiC carbide

1 引言

車載電機恒溫控制技術(shù)系統(tǒng)的低溫工作要求性能及產(chǎn)品可靠性需考慮到的關(guān)鍵因素之一即應該是控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高溫工作。在低于150℃的工作結(jié)環(huán)境溫度條件下（Ta）持續(xù)工作負載和在超過等于170℃的工作結(jié)溫度下（Tj）工作狀態(tài)環(huán)境下保持的更高工續(xù)作的負載能力均將是一個極其和十分的重要的。整個恒溫控制系統(tǒng)電路系統(tǒng)在極端的嚴苛和高溫環(huán)境中使用過程中產(chǎn)生的極高的操作的可靠性顯然這也是控制系統(tǒng)所特別需要所具備的。需要同時所使用焊接的分立電路元件的個數(shù)也越多，等問題也是很重要。如上述已有詳細的概述所說明出來的，BLDC電機技術(shù)盡管可在達到最高運行能效、可持續(xù)維護性、使用的時間比較短性和可操作及安全性方面均顯著上優(yōu)于其它一般的有無刷式電機，但它們卻隨時也很可能伴隨有自身結(jié)構(gòu)本身更龐大笨拙重復雜設計和設備投入及更復雜昂貴和高維護運行管理成本等帶來的其他潛在的缺點而存在著（因為BLDC電機包含外部控制電路，需要更大的安裝空間）缺點。因此，在要保證系統(tǒng)要保證能有效充分利用現(xiàn)有的BLDC電機優(yōu)勢系統(tǒng)的優(yōu)良性能的同時又在確保系統(tǒng)要盡可能有效的減小整個電機系統(tǒng)設備的總有效幾何尺寸面積和有效結(jié)構(gòu)重量、降低設計成本、增強電機工作系統(tǒng)可靠性、減少系統(tǒng)設備的發(fā)熱、降低設備工作噪聲時就仍必然存在的諸多挑戰(zhàn)。

2 IPM的主要特點

2.1 驅(qū)動電路

在每套IPM內(nèi)部都事先設置制作好集成了另外一套更高性能更加可靠耐用的驅(qū)動電路，具有了當系統(tǒng)出現(xiàn)驅(qū)動電路故障或報警情況后自動切斷軟硬接關(guān)機燒熔斷IGBT元件供電回路的多種特殊控制功能，同時，由于系統(tǒng)內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)設計十分合理緊湊，驅(qū)動電路與輸出IGBT元件之間的短路距離一直都會極短，抗諧波干擾與保護短路能力相對更的強，輸出端間的短路阻抗的損耗一般又是會是很高的很低，不需要再另外多加任何一個反偏置電壓，簡化了整個驅(qū)動電路電源，僅只需提供包含了具有1組帶上下橋臂供電模塊的獨立公共電源模塊和一個具有了3組帶上下橋臂電源模塊的獨立“浮地”電源。

2.2 欠電壓保護

每個驅(qū)動電路單元都應該具有欠載電壓保護（UV）的保護功能。無論因為什么其他原因，只要驅(qū)動電路電源電壓值Ucc值低于欠限電壓閥值的Uuv時間超過等于10ms，IPM繼電器就會立即關(guān)或斷，同時會輸出這樣一個電路故障的報警輸出信號。

3 智能模塊在汽車中的應用

通常有下列兩種可用于電源模塊基板制造的材料。這些材料都應該是適用于制造大功率電器的陶瓷鋁基材料和其他金屬銅基的材料（如鋁）。由于大陶瓷基板器件通常要與其它大尺寸金屬片材之間緊緊相連固定著的（如銅和鋁）所以，大型的瓷基板器件本身的表面的加工技術(shù)也是相對十分復雜困難的并將會產(chǎn)生有所的設計局限性，而通過集成設計便已可實現(xiàn)完全地實現(xiàn)。金屬基絕緣金屬瓷基板表面集成化制造技術(shù)系統(tǒng)（IMST）就已發(fā)展成為了唯一有效解決了以上這最后一類實際問題的其中一種方法。IMST集成技術(shù)是作為一種用于減小器件封裝單元尺寸范圍和增加元件重量范圍等的另外又一種相對比較靈活有效的方法。MST結(jié)構(gòu)是一種通過使用絕緣層材料來覆蓋銅鋁片，將一層銅箔紙置于頂層，并同時可以直接在這一層的銅箔紙基材上進行蝕刻，使整個單層的布線以及圖案等都更能更加輕易地被設計者的自由設計而定制。鋁線用作晶體管或IC/LSI裸芯片和銅箔圖案之間的電性連接（即超聲波粘合）。較厚的銅箔圖案用于大電流應用，較薄的圖案用于小電流。鋁線的直徑基于流經(jīng)的額定電流和使用這些導線的目的（例如是用作跳線還是接地線）。當?shù)蜔犭娮鑳?yōu)先時絕緣層做得更薄一些，當高壓重要時絕緣層做得更厚一些。因為基板是鋁，導熱性和導電性本質(zhì)上是很高的。這支持處理大量電力，并提供電磁屏蔽效用。

一般的IPM貼裝其組成元件到單獨的電路板，由于這結(jié)構(gòu)是點和線互聯(lián)的框架，無法在這框架內(nèi)實現(xiàn)多個功能。但是使用IMST結(jié)構(gòu)，電路搭建在電路板上，可輕易實現(xiàn)多個功能。

關(guān)于電源模塊或IPM，許多功率半導體廠商生產(chǎn)相應的目標應用的產(chǎn)品，功率MOSFET/貼裝的分立元件數(shù)或基礎線路板不是一律固定不變的。用于車載系統(tǒng)的3相BLDC電機方案的比較為減少車載3相BLDC電機的系統(tǒng)成本，可使用無位置檢測傳感器型（簡稱無傳感器型）。一般安裝一個功率MOSFETE和一個帶微控制器的預驅(qū)動器IC，BLDC電機由軟件控制。通常平均有170個元件貼裝在印制線路板上。為替代這種情況，使用一個高度集成的IPM、一個使用功率MOSFET的專用控制器、預驅(qū)動器和硬邏輯器件，與自保護功能（防短路、過流、控制電源壓降和過熱）一起可集成到一個模塊中，從而成為一個獨立的單元。有關(guān)噪聲可被降低。而且由于無需軟件來驅(qū)動電機，可縮短設計周期。系統(tǒng)可靠性也顯著提升。

一般情況下，3相BLDC電機比有刷電機更貴。它們也占用更多空間和更重。高密度IPM采用IMST，節(jié)省空間，系統(tǒng)成本也隨之降低。例如，安森美半導體的獨立無傳感器式電機控制IPM如下圖所示（參見圖4），包括無傳感器位置檢測邏輯和電機控制IC（序列）、6個功率MOSFET和外圍元件。它直接對帶同步整流的PWM控制器作出響應。

在這特別的IPM示例中，元件數(shù)已從通常所需的170個以實現(xiàn)分立結(jié)構(gòu)減至只需5個。這是因為通過使用IMST能集成各種不同的元件。因此，貼裝重量可減少60%，占板面積減少85%。當使用這IPM時，不再需要印制基板（支持實現(xiàn)無PCB），IPM可置于電機占用面積范圍內(nèi)。

基于IMST的IPM的其它好處我們注意到基于IMST的IPM的第一大額外好處是它們提供高精度溫度檢測。對于分立元件，由于功率晶體管封裝和溫度檢測電路封裝相距甚遠，導致溫度檢測時間延遲。使用基于IMST的IPM，由于功率晶體管、提供溫度檢測信號的溫度控制測量電路和過熱保護檢測電路也可直接貼地裝配在同一板塊上。因此在溫度的檢測系統(tǒng)中將最大限度地減小測量誤差，從而就可真正實現(xiàn)了高精度測量電路工作，見圖5。

基于IMST的IPM的第二大好處是降低噪聲。因為降低電機噪聲是車載系統(tǒng)的一個重要方面，設計工程師需要盡可能降低噪聲。EMI噪聲構(gòu)成設計階段的一個主要問題。使用了一個基于IMST的IPM，在金屬基板片上的鋁片層和鋁銅箔層之間有了一個分布式的電容通過絕緣樹脂。這還可通過有效地顯著程度地來降低功率器件系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)噪聲。

此外，由于可減小IMST基板上布線和引線鍵合的寄生電感，通過抑制在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間當高壓大電流器件硬開關(guān)時產(chǎn)生的高壓浪涌，可降低噪聲。

第三大好處在于基于金屬的設計的出色的散熱性能。此屬性取決于絕緣材料和絕緣層的厚度。較薄的絕緣層可減小熱阻抗。圖6顯示在多個絕緣金屬基板上的絕緣層厚度和熱阻抗值之間的關(guān)系。

4 碳化硅在新能源汽車上的應用

里程和充電時間仍然是制約電動汽車發(fā)展的重要因素。智能化、輕量化和集成化將是電動汽車未來的發(fā)展趨勢，碳化硅器件將成為加速電動汽車發(fā)展的重要助力，碳化硅在新能源汽車中的應用如下。

4.1 功率交換器

使用寬帶隙器件可以提高功率轉(zhuǎn)換器在高溫下的可靠性，減少散熱系統(tǒng)的體積。傳統(tǒng)的硅基變流器損耗大，對冷卻系統(tǒng)要求高

在電動汽車中，發(fā)動機部分需要冷卻系統(tǒng)將其溫度保持在105℃，而功率變流器部分需要冷卻系統(tǒng)將其溫度保持在70℃左右。為了使這兩部分正常工作，必須采用兩套冷卻系統(tǒng)來滿足不同的要求。這大大增加了電動汽車冷卻系統(tǒng)的體積。SiC功率器件的結(jié)溫達到361℃。因此，由寬帶隙器件組成的功率變換器可以在較高的環(huán)境溫度下正常工作，并可以將發(fā)動機冷卻系統(tǒng)與功率變換器系統(tǒng)結(jié)合起來，大大減小功率變換器的體積

4.2 蓄電池充電器

蓄電池充電器是電動汽車的重要組成部分，它主要由PFC變換器組成，PFC變換器由AC／DC變換器和DC／DC變換器組成。PFC變換器的工作頻率決定了輸出濾波電感和電容的紋波電壓和紋波電流。通過使用大體積的電感和電容器，可以顯著降低電感和電容器的工作頻率，從而提高電感和電容器的工作可靠性。無源元件體積的減小意味著整個變流器體積的減小和功率密度的提高

4.3 電機驅(qū)動器

電動汽車主電機的驅(qū)動器拓撲有多種，其中最常用的是兩電平三相電壓源逆變器。根據(jù)研究，使用SiC器件可以顯著降低損耗。其中，由SiC BJT構(gòu)成的逆變器損耗降低了53%；當頻率增加時，損耗將進一步降低。當開關(guān)頻率為15kHz時，SiC BJT逆變器的損耗降低了67%。

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