應對全球變暖、汙染以及減少碳排放目標的達成需要以汽車減排為起點。汽車行業正在不斷推動提高燃油有效率及減少排放量的同時提升汽車的電氣化程度。
作者：Omid Shajarati; Alexander Streibel; Norbert Apfel
Danfoss Silicon Power/丹佛斯硅動力
背景簡介
隨著全球混動(BHEV)和純電動(BEV)汽車的普及以及驅動牽引設計的不斷升級，汽車製造廠商需要針對現階段和未來產品設計需求進行評估，找到最適合的電力電子技術方案。整體性能的提升，更高的轉換效率，更加優化的成本，更輕的重量體積以及更高的功率密度是所有汽車製造廠商不斷的追求。
效率的提升可以降低能耗，電池的容量也要求滿足特定的續航里程。
與硅(Si)的IGBT或MOSFETs相比，碳化硅(SiC)的IGBT及MOSFETs具備更多優勢，例如：更快的開關頻率、降低電機損耗的同時提升驅動系統的噪音特性。隨著開關頻率的提升，電機的正弦電流不斷增加的同時降低電機損耗、減小通態及斷開時的損耗、更高的導熱率和介電強度。從本質上實現更高功率密度的同時減小逆變器的體積和重量。
基於碳化硅器件（SiC）的應用有可能會對電機系統其它部件形成挑戰，所以需要在整體系統層面進行評估。比如，高開關速度的應用如果不配備輸出濾波器將會出現高壓斜率(dV/dt)，導致電機絕緣擊穿。與此同時，高開關速度也會引起不必要的電容耦合和電磁干擾問題。
碳化硅(SiC)器件高昂的應用成本是影響其接納程度的最明顯的爭論點。碳化硅（SiC）芯片組的價格往往是普通硅(Si)芯片組的幾倍。隨著半導體技術的發展，碳化硅(SiC)芯片組的價格將會隨著接納度、產能以及晶元直徑和技術先進度的不斷提升而降低。
混動汽車(HEVs),插電混動汽車(PHEVs)以及純電動汽車(BEVs)所需的關鍵系統都將受益於碳化硅（SiC）的功率器件，從而提升電動汽車的能效和性能。
DCM™ 1000X基本信息
丹佛斯基於目前針對混動和純電動汽車牽引應用的DCM™ 1000產品平臺進行擴充，推出了DCM™ 1000X平臺化產品。DCM™ 1000X平臺產品採用1200V硅(Si)及碳化硅(SiC)芯片。其中，專為驅動系統設計的DCM™ 1000X碳化硅方案可實現1200V阻斷電壓，配備高達950V DC-Link電容，額定電流可達到200A-800A。1200V平臺方案可以滿足普遍應用中對於絕緣的要求，比如：LV123, IEC 60664-1或是950V DC-LINK電壓的安全餘量。
正如DCM™ 1000 (750V)方案，DCM™ 1000X方案專為在嚴苛環境下運行而設計。高溫度循環能力最高可達135K, 可適應高溼以及機械衝擊與震盪的環境。該功率模塊方案採用特殊的樹脂塗料塑模工藝使其可以滿足在高衝擊和震盪環境下正常運行的要求，如圖1所示。
為了實現最高功率循環性能和生命週期，DCM™ 1000X平臺模塊方案沿用了DCM™ 1000方案採用丹佛斯DBB® 專利技術。DBB®專利技術可以使模塊在高結溫情況下正常運行。芯片與基板採用燒結技術結合DBB®以及銅綁定線工藝可以實現更高功率及更佳溫度循環性能，相對於一般綁定工藝銅綁定工藝可以將壽命週期提升15倍。
圖1中也可以看到DCM™ 1000X採用了ShowerPower® 3D直接水冷技術，可以達到更卓越的散熱性能。相對於其它水冷技術ShowerPower® 3D具有許多優勢。比如，相對於pin fin冷卻方式。
並聯的冷卻方式避免了pin fin冷卻所引起的溫度不均的現象。這一方式還可以根據不同應用需求定製冷卻水道，同樣的情況pin fin的冷卻方式由於會產生“湍流效應”所以是不可能實現的。
圖1. DCM™ 1000X.
DCM™ 1000X是基於多種芯片品牌進行篩選，挑選最優化的芯片進行設計。丹佛斯硅動力可以提供基於不同芯片的設計方案確保選取最優設計方案及充足供應能力的同時保證最高的性價比。
DCM™ 1000X電氣性能
DCM™ 1000X很好的滿足了電動車市場的需求，成功將DC-link電壓從450V提升至950V，實現了翻倍。這不僅提升了輸出功率也可以實現更快的充電能力。功效達到200kW以及上的逆變器可以通過使用1200V芯片的Si IGBT或SiC MOSFETs實現設計。相對於低DC-link電壓，提升後的DC-link電壓，實現同樣的輸出功率可以使相電流減少50%，快速充電時間可以在10分鐘之內完成。鑑於這種非線性的關係，在同樣的結構下，相較於傳統650V/750V的功率模塊，採用了1200V芯片DCM™ 1000X封裝的IGBT可以實現更高的輸出功率。正如上面提到的，SiC MOSFETs的優勢在於，可以在通態狀態下實現最優負載，實現低開關損耗。所以總體來講，逆變器的開關頻率越高整體的優勢會越加顯著。
圖2展示出逆變器冷卻劑邊界條件為每分鐘10升水的最小流量、冷卻劑最高溫度為65°的情況下，1200V Si IGBT(1000平方毫米硅)和SiC MOSFETs（400平方毫米碳化硅,外部二極管不包括在內）的對比。
汽車逆變器通常的設計原則標明在運行中的IGBT， 175°C額定器件的最高結溫應不超過165°C，SiC MOSFETs設計為額定SOA為200℃時運行最高結溫為190℃。需要強調的是隻有采用了DBB®技術的同時保證最高值在芯片運行結溫安全範圍之內才能實現這樣結溫效果。
此外，ShowerPower® 3D冷卻技術可以將如上所述不可達到的熱阻條件得以實現。基於不同芯片的尺寸這一結果設定為200mm² SiC MOSFETs及300mm²IGBT每次開關的結果.
這樣的熱阻值說明，SiC在結溫為190°C並且ΔT設定為125K時，模塊總損耗僅限於2.5kW, DCM™1000X可以在上述冷卻條件下的峰值負載時耗散超過625W/cm²的損耗。(IGBT模塊損耗在 2kW時IGBT損耗為325W/cm²)
圖2：最高相電流與高頻開關結溫(10K開關頻率最高結溫在175°C 和 200°C)變化對比圖850VDC, m=cos(φ)=1, 10l/分鐘. 每個逆變器, 冷卻液溫度65°C.
如圖2中所示，當相位電流在最大值並超過開關頻率時SiC MOSFETs只有輕微的下降，可以看出SiC在高開關頻率時所展現出的卓越性能。換句話說，不需要降額就可以將在低開關頻率時的IGBT最好的性能發揮出來。因此，SiC MOSFETs可以在同等輸出功率及合理的開關頻率的前提下將逆變器的效率發揮到更大。同樣的效率只能通過擴大Si的面積實現，但不足的地方為隨著面積的增加系統成本也會相應提高。另外，在某些特定負荷區間時（如圖2所示 Tjunction = 100°C）Si和SiC效率的差距會愈加明顯。
汽車級1200V IGBT 牽引功率模塊具有極高的性價比。DCM™1000X從性能上，實現雙倍的DC link電壓的同時減少50%的電流。在採用SiC MOSFETs之前, 1200V SiC IGBT性能已經作為一種替代方案可以從性能上實現將DC-link 電壓從475V提升至950V。
圖3：DCM™ 1000X電氣性能採用最新一代Si 1200V IGBT, 每臺逆變器流量 850VDC, m=cos(φ)=1,冷卻劑溫度為65°C
如圖3所示，DCM™ 1000X最高輸出電流採用最新一代Si 1200V IGBT，最高可達 600Arms at 6kHz.
將開關頻率提高到10kHz，在有明顯額外開關損耗的情況下可以減少15%的相位電流。眾所周知IGBT在通態特性，在某些特定負荷區間內，無法實現最優效能。
SiC MOSFETs最早被大家瞭解是因為其在保證部份負載時良好性能的同時降低開關損耗。通態損耗只有在最大負荷時才占主導地位，要求各個芯片之間保持均溫分佈的同時降低導通電阻的溫度梯度。
圖4所示，DCM™ 1000X的電氣性能採用最新的一代SiC MOSFETs。DCM™ 1000X目前還在開發階段，部份客戶已經在對樣品進行測試。
圖4：DCM™ 1000X電氣性能採用最新一代SiC MOSFETs，每臺逆變器流量850VDC, m=cos(φ)=1, 冷卻劑溫度為65°C
性能對比測試基於20kHz 及30kHz不同流量設定情況下進行。由於開關頻率的影響較小及損耗情況，從20kHz提升到30kHz導致電流降額僅為80Arms. DCM™ 1000X可以使逆變器實現600Arms及以上的設計，功率可達300kW.
丹佛斯正在為DCM™ 1000X設計配套的應用測試套裝，包括直流電容，母線連接，適用於3個半橋設計的散熱器及門極驅動。從而，可以讓客戶對DCM™ 1000X的性能評估更加便利，協助客戶進行逆變器的設計驗證。
總結
DCM™產品平臺已經擴充至950V可兼容硅（Si）及碳化硅（SiC）設計方案。該產品平臺為可擴展型功率模塊產品平臺，未來更高性能的牽引應用方案將獲益於其這一可擴展的產品平臺。該平臺可基於最新硅（Si）及碳化硅（SiC）技術及性能滿足不同客戶需求提供最全面的產品方案。
丹佛斯將提供應用測試套裝，以便使客戶針對DCM™ 1000X的牽引設計方案的測試驗證更加簡便。
DCM™ 1000X產品平臺的出現，進一步擴充及加強了丹佛斯硅動力針對客戶定製化模塊設計方案，使產品方案更加全面。
參考:
1.Omid Shajarati, Klaus Olesen, Norbert Apfel, Matthias Beck; DCM™ 1000 Designed to meet the future demand of Electric Vehicle Drive Trains. Bodo’s Power Systems, March 2018.
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