基于碳化硅功率器件的车用电驱动总成关键技术研发

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摘要：随着新能源、电力电子与信息技术进步，汽车正朝着纯电动、高速化、无人驾驶和智能方向发展。驱动电机及控制器作为电动汽车核心部件，其性能直接决定整车的动力性、安全性和舒适性和节能性，因此，其技术水平长期受到学术界、零部件企业和整车厂重点关注。

引言

基于碳化硅功率器件的车用电驱动总成关键技术研发项目属于新能源汽车领域的先进制造与自动化技术，针对高功率密度 SiC 为功率器件的扁线永磁同步电机一体化驱动总成技术要求，从理论分析入手，解决高电压平台、高开关频率下高功率密度电机系统开发过程中所面临的共性关键问题。

关键词：碳化硅；驱动电机；功率器；控制器

一、碳化硅功率器概述

电机方面：定子绕组采用矩形导线（俗称扁线）的永磁同步电机因其体积小、效率高、热稳定性好、温升低、噪音小等诸多优势，正逐步称为驱动电机的主流形式。

功率器件方面：传统的硅基 IGBT 由于材料本身特性已经接近极限，严重制约其开关频率的提升与开关损耗降低，在高速电机应用场景下其开关频率、效率、功率密度越来越难以满足需求。第三代半导体碳化硅功率器件具有更强的抗辐射能力、更高的击穿电压、较低的开关损耗与导通损耗、更高的开关频率、散热能力强、耐节温高。更强的抗辐射能力，可以使 SiC 器件工作在恶劣的工作场合；更高的击穿电压，提高了 SiC 器件的电压应力；更低的开关损耗和导通损耗，可提高系统效率和开关频率；更高的开关频率，可显著减小无源器件的体积，良好的应对高开关频率场合；热导率高、热稳定性好，显著减小散热器体积，降低散热成本，提高功率密度。这些特性使 SiC 功率器件在高速电机驱动应用方面拥有无可替代的优势。高开关速度虽然可以降低开关损耗、提高开关频率，但也会带来负面效应。

（1）在开通与关断时，SiC MOSFET 漏源电压的变化速率远超过 Si IGBT，所以，如果使用传统的驱动方式，SiCMOSFET 工作过程中会产生严重的串扰与栅源电压振荡现象。

（2）SiC MOSFET 的开通阈值较低并且栅极最大负压较小，串扰严重时可能导致误开通或者栅源极负压击穿。

（3）对于采用 Si 功率器件的电机驱动器来说，由于 Si 器件的关断时间并不会随负载大小有非常明显的差异，而 SiC MOSFET 的关断时间受负载大小影响，随着开关速度的提高，换流回路寄生电感会带来漏源电压过冲与振荡等问题。

（4）电机驱动器 EMI 的干扰源主要是电力电子开关器件在开关过程中产生的高频谐波，通常电机驱动器采用的 PWM 逆变器均采用固定开关频率控制，然而由于开关频率固定，高频谐波也集中在接近开关频率及其倍数次谐波，因此，电磁干扰（EMI）噪声在开关频率的倍数附近也会加重，严重情况下，SiC MOSFET 应用时可能产生桥臂串扰与栅源电压振荡。上述问题导致 SiC 功率器件高开关速度的优势不能得到充分发挥，影响电力电子变换器效率、功率密度的提升。

电驱动系统作为新能源汽车的核心零部件之一，其性能直接决定了新能源汽车动力性、经济性、舒适性、安全性、可靠性、耐久性。而提高电驱动的技术水平和质量，需要从驱动能力、驱动效率、控制精度、系统稳定、电磁性能、工作寿命等关键技术入手。此外，从产业化的需求来讲，低成本、小型化、智能化是核心中的核心。

二、电驱动系统发展方向分析

电机方面：定子绕组采用矩形导线的永磁同步电机（俗称扁线电机）因其体积小、效率高、热稳定性好、温升低、噪音小等诸多优势，正逐步称为驱动电机的主流形式。

功率器件方面：SiC功率器件具有更强的抗辐射能力、更高的击穿电压、较低的开关与导通损耗、更高的开关频率、耐节温高等特性，在车用驱动控制器中拥有无可替代的优势。

系统方面：电机及控制器一体化集成构成电驱动总成已成为特斯拉、比亚迪等头部车企的首选技术方案。

本课题针对高功率密度 SiC 为功率器件的扁线永磁同步电机一体化驱动总成技术要求，从理论分析入手，解决高电压平台、高开关频率下高功率密度电机系统开发过程中所面临的共性关键问题。

三、主要研究内容

（1）基于机热电磁联合仿真的电驱动总成一体化设计方法

对电驱动动力总成所承受的机械、电应力、温度场、磁场等多物理场进行联合建模。建立定子转子关键尺寸与电磁性能关系模型；电容器基本设计参数和电机驱动 SiC 控制器需求之间数学模型；直流母排结构、尺寸与寄生电感之间的数学模型；功率器件损耗与热阻网络模型，为高功率密度电驱动总成优化设计提供理论依据和工程指导，主要完成：

机热电磁多物理场联合建模与仿真；

电机的本体定转子结构参数设计与优化；

逆变器热网络建模与负荷计算；

冷却水道设计。

（2）SiC 功率器件开关特性建模与串扰机理分析及驱动电路设计

分析 SiC 功率器件的开通电流变化率、关断电压变化率与驱动回路中栅极电阻、栅极寄生电感、功率回路寄生电感的关系，建立开关行为数学模型，利用模型分析开关损耗、串扰形成机理，并设计驱动电路和优化滤波器。主要研究内容包括：

SiC 功率器件开通和关断过程开关行为建模；

电路中参数对 SiC 功率器件开关特性及开关损耗的理论分析；

串扰问题的形成机理及抑制方法研究；

驱动电路和滤波器设计与优化。

（3）宽负载范围内的动态死区自适应 SVPWM 算法

通过理论分析死区时间与负载电流的关系，研究宽负载范围内的动态死区自适应 SVPWM 算法；并应用非受控排序遗传算法等多目标优化方法对驱动电路、滤波电路、母线电容、直流母线尺寸散热器参数，以及控制算法中载波频率、开关频率、死区时间等参数进行同时优化，得到最优软、硬件参数。

死区时间与负载电流关系的理论分析与建模；

宽负载范围内的动态死区自适应 SVPWM 算法；

基于非受控排序多目标遗传算法的软、硬件关键参数同时优化。

（4）全寿命周期内电驱动总成可靠性评价方法

电机方面，中德电机定子绕组、磁钢及轴承的失效机理，控制器方面：重点分析SiC 器件、母线电容等在正向大电流、高温反偏、重复反向灌电流、高 dV/dt 应力条件下退化机理，以及关键部件和材料所承受的机、热、电、磁应力分析及失效表征参数提取，建立整个动力总成的可靠性评价模型。主要研究内容包括：

SiC 器件、母线电容等退化机理建模与模型修正；

关键部件热电磁应力分析和失效表征参数提取；

整个控制系统的可靠性进行建模；

电机控制器可靠性加速试验方法等研究。

（5）验证控制器性能并进行产品迭代和性能优化

基于实时工况的车用电机及控制机热电磁场联合仿真与设计方法；

基于非受控排序遗传算法的电机及控制控制参数同时优化方法；

真实工况下驱动电机控制器可靠性预测与加速试验方法研究方法。

四、结语

基于碳化硅功率器件的车用驱动电机及控制器总成关键技术研发与应用，项目将基于碳化硅功率器件的控制器、扁线电机、电机及控制器一体化总成等方面形成完整的自主知识产权，有很高的成果转化显示度。具有很高的成果转化应用前景，促进深圳新能源汽车技术的发展，减少环境污染，推动清洁能源绿色发展，有助于加速建设生态深圳，达到绿色环保出行、低碳节能的良好社会效益。

参考文献：

[1]徐海,刘祥洋,曹森,等.基于碳化硅器件及其驱动的谐振变换器设计[J].电力电子技术,2023,57(10):127-129+136.

[2]张少昆,孙微,范涛,等.基于分立器件并联的高功率密度碳化硅电机控制器研究[J].电工技术学报,2023,38(22):5999-6014.