工程师们需要尽可能多的帮助才能快速开发出新型电动驱动系统。这些差异远不止于尺寸、形状和重量限制等物理特性。功能和电气安全要求以及环境条件都很大程度上取决于应用和地理位置。此外，制造商之间的竞争也要求他们尽快将产品推向市场。.
就性能和可靠性而言，碳化硅 (SiC) 是最佳的功率半导体技术。对续航里程的担忧促使汽车市场从硅转向碳化硅，因为碳化硅在诸如行驶在固定路线上的公交车和行驶距离相对较短的重型车辆等车辆中具有更高的能源效率。对于这些应用，碳化硅能够在高电压下工作，从而实现更快的充电速度，而其在高温下工作的能力则有助于最大限度地提高可靠性。此外，模块所需的碳化硅器件数量更少，而且碳化硅 MOSFET 的击穿电压也比硅器件更低。这为缩小模块尺寸提供了可能。.
然而，SiC功率器件不能直接被硅MOSFET或IGBT替代。在高频开关过程中，建立合适的栅极控制以确保快速平稳的传输并非易事。此外，还存在其他挑战，例如硬件组件的集成（特别是逆变器和智能功率模块），以及电机控制软件的配置和校准。.
加速开发：
CISSOID 开发了一种 SiC 牵引逆变器平台和参考设计，旨在克服这些挑战，加速稳健可靠的 SiC 功率模块的商业化（图 1）。驱动器制造商可以利用这些模块构建可在高达 850V 电池电压下运行的系统。该硬件采用模块化设计，可适应各种功率等级的设计。
图 1. CISSOID 高压 SiC 逆变器的参考设计。.
该参考设计解决了逆变器中一些难度较高且通常耗时较长的方面。其主要组件包括一个1200V三相智能功率模块（IPM），该模块集成了一个针对SiC应用优化的栅极驱动器，并设计用于承受高温（图2）。该驱动器可提供超过10A的最大电流，并可在高达125°C的环境温度下工作。.
图 2. 智能功率模块 (IPM) 由带针翅冷却的 SiC 功率级和安装在顶部的栅极驱动器组成 [2]。.
由于SiC栅极驱动器与功率模块集成在一起，用户可以立即使用经过验证和优化的解决方案，实现快速开关速度和低损耗。该方案不受高dI/dt和dV/dt的影响，并为功率级提供强大的保护。因此，微调模块性能和确保良好散热所需的迭代次数显著减少。参考设计硬件还包括直流和相电流传感器、EMI滤波器、小型液冷器和高密度直流链路电容。这些电容专为逆变器平台开发，具有宽电压和电流范围。.
软件控制与校准：
为了完善参考设计，我们还提供了一块电机控制板，该控制板配备专用处理器和软件，两者均已通过 ISO 26262 功能安全 ASIL D 级预认证。电机控制软件允许进行多项调整，而不会影响功能安全认证，从而可根据最终用户的应用需求灵活优化电机性能。用户还可以在此基础上运行自己的应用软件。
该控制板基于 Silicon Mobility OLEA® T222 现场可编程控制单元 (FPCU)。这使得参考设计能够将传统处理器的软件灵活性与硬件加速相结合，从而确保电机在达到最大所需转速之前都能实现实时性能。通过集成该控制板，参考设计还有助于用户避免在连接控制板和智能功率模块时通常会遇到的机械和电气集成问题。.
OLEA® APP INVERTER 是一款灵活且完全可定制的控制软件（图 3），它通过一系列可离线或实时修改的配置和校准参数，能够适应任何类型的电机驱动和任何功率范围。该软件还配备了包含图形界面的调试和校准环境。.
图 3. OLEA® APP 逆变器控制软件提供多种功能来调节和优化电机运行。.
借助 OLEA® COMPOSER，开发人员可以缩短优化电机控制软件所需的时间（有关实现此目的的四步流程的更多信息，请参见方框）。.
SiC逆变器性能：
配置好参数后，即可对电机进行测试，并评估逆变器-电机组件的效率。图4a和图4b比较了在类似实时条件下测试的SiC逆变器和IGBT逆变器的性能。
图 4a. SiC 逆变器在 13500rpm 转速下高达 260kW 的性能，显示其在整个速度和扭矩范围内的效率。.
图 4b 显示，在 11,500rpm 转速下，功率高达 120kW 的硅基逆变器在类似条件下扭矩能力较差（参见交叉点）。
这些性能图表明，SiC 基驱动器的卓越效率可确保更佳的用户体验。随着转速和负载需求的增加，由于 IGBT 基驱动器的效率较低，电机扭矩会显著降低；器件内部能量损耗产生的热量无法在不大幅增加冷却的情况下散发。相比之下，高效的 SiC 基驱动器可在更宽的转速和负载范围内接近最大扭矩。
驱动配置和校准：
OLEA® COMPOSER 工具套件可帮助用户配置电机以满足客户规格，并方便地校准电压、额定功率、转速和扭矩等参数，从而实现最佳运行范围。完成后，即可分配逆变器-电机效率。
调整和校准分四个步骤进行：
步骤 1：软件参数配置
• 根据电机参数配置 OLEA® APP INVERTER 软件。
步骤 2：逆变器硬件调整
• 调整电机，包括旋转变压器和温度传感器等组件。连接电动汽车的电子控制单元 (ECU) 和测试台接口（例如 CAN、安全接口）、电源和冷却系统。
• 使用测试台验证逆变器的安全接口。
步骤 3：电机控制系统校准
• 开环模式：使用 OLEA® T222 FPCU 校准电流和电压传感器信号调理链。
• 部分开环模式：校准位置传感器偏移，无论使用旋转变压器还是电感式传感器。
• 电流闭环模式：PI 控制器调整 ID 和 IQ 矢量，以实现磁场定向控制 (FOC)。
• 转矩控制模式：微调转矩控制回路，以提高精度和动态响应。
• 速度闭环模式：校准调速器。
步骤 4：高级系统优化
• 开关频率选择：根据速度和相电流调整开关频率。
• 死区时间补偿：调整死区时间补偿算法，以最大限度地减少相电流谐波。•
磁通降低：优化 ID/IQ 设定值，以在最大转矩电压比 (MTPV) 区域高效运行。
• SVPWM/DPWM：定义 SVPWM（空间矢量脉宽调制）和 DPWM（不连续脉宽调制）之间的阈值，以在高转速下提供更高的效率。
此方法允许调整参考设计，使 700V 母线在高达 4000rpm 的转速下实现 99% 以上的效率，如下所示：
总之
，公共汽车、卡车和农用车辆为电气化和减少环境有害排放提供了巨大的机遇。基于碳化硅的功率技术有助于最大限度地提高车辆的可靠性和使用寿命，同时与硅IGBT或MOSFET相比，还能提供更高的效率。碳化硅设计的复杂性以及加快产品上市速度的需求，要求设计人员需要一个灵活的开发平台，以帮助设计人员满足各种车辆类型和类别的目标。一个全面的参考设计方案，既能解决碳化硅设计的主要挑战，又能提供灵活性和可扩展性，以适应小型和大型车辆中不同的电池功率和电压，从而有效地降低设计风险并加快产品上市速度。
参考文献
[1] 来源：NESTE：迈向可持续交通 / 2023 年 4 月：https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards-sustainable-mobility#885e75ed
[2] CISSOID SiC 智能功率模块：https://www.cissoid.com/sic-power-modules/
关于 Cissoid - www.cissoid.comCissoid
是功率半导体解决方案领域的领导者，提供涵盖广泛功率范围的多相大电流功率开关模块、电机控制系统和软件。我们的解决方案涵盖从片上系统到基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 的完整逆变器参考设计，适用于日益增长的电动汽车和高功率应用。我们在超高温半导体、高可靠性解决方案和封装领域的领先地位和专业知识，使我们能够应对不同市场不断增长的功率密度挑战。
作者：Pierre Delatte，CISSOID 首席技术官
