碳化硅MOSFET在電動汽車熱管理系統(tǒng)中的研究

空調(diào)壓縮機(jī)是熱泵空調(diào)系統(tǒng)的核心，選擇合適的功率器件可以提高其控制器的工作效率，從而提髙整個系統(tǒng)的效率。這里使用了雙脈沖測試電路，對1200V的碳化硅MOSFET和硅IGBT的開關(guān)損耗進(jìn)行對比。使用PLECS仿真軟件建立兩者的熱模型，進(jìn)行系統(tǒng)性仿真，得到效率和結(jié)溫間的對比結(jié)果。最后通過電機(jī)對拖實驗得出控制器應(yīng)用碳化硅MOSFET時的效率，驗證出在電動汽車熱管理系統(tǒng)中，空調(diào)壓縮機(jī)控制器應(yīng)用碳化硅MOSFET能有更高的效率，有利于電動汽車的熱管理。需大力發(fā)展環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的電動汽車[1]車主因擔(dān)心駕駛電動汽車突然沒電引起的焦慮問題主要有3種解決方法：增加充電樁保有量、加快電池充電速度及減少汽車電能損耗[2]。電動汽車最大的能量消耗是在克服行駛阻力上，其次是在空調(diào)熱泵系統(tǒng)上?？照{(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)是空調(diào)熱泵系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接影響空調(diào)熱泵系統(tǒng)能量損耗，而壓縮機(jī)控制器對壓縮機(jī)的性能起決定作用[3]。碳化硅材料作為第3代半導(dǎo)體材料，是目前應(yīng)用于大功率、髙溫、高壓功率器件的商品化最好的材料[4]。強(qiáng)且屬于單極型器件，開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗極低。目前空調(diào)壓縮機(jī)控制器主要使用的功率器件是硅IGBT，但硅機(jī)工作在輕載工況下，控制器碳化硅MOSFET方案的損耗可降低至硅IGBT方案的一半以下。而車用空調(diào)壓縮機(jī)通常工作在輕載工況下，可以極大發(fā)揮碳化硅MOSFET的優(yōu)勢，從而減少空調(diào)熱泵系統(tǒng)的損耗，有利于電動汽車的熱管理，降低整車電能的消耗，提高新能源汽車的續(xù)航能力。汽車企業(yè)為實現(xiàn)電動汽車的超級快充，需提高電動汽車的充電功調(diào)高充電功率就是提高充電電流和電壓，大電流充電存在纜線粗細(xì)、電阻散熱和成本等問題，所以很多企業(yè)開始采用800V高壓快故汽車企業(yè)開始使用與充電電壓相匹配的800V高壓平臺，即乘客無法直接接觸到的設(shè)備輸入端都使用800V輸入。故此處碳化硅MOSFET選擇C3M0075120J，IGBT使用IXGA20N120B3。兩者都是TO-263封裝，額定電壓均達(dá)到1200V，滿足800V高壓器件基本參數(shù)如表1所示。由于功率旗艦店額工作特性和外部電路是強(qiáng)相關(guān)的，所以在使用器件時器件手冊只具備參考價值，需要進(jìn)行雙脈沖測試獲得器件雙脈沖測試電路原理圖如圖去所示。雙脈沖測試是一種基于半橋電路形成的功率器件測試方法，而壓縮機(jī)控制器是一個三相逆變器，所以此次測試選取控制器電路三相橋中的W相作為測試橋臂，構(gòu)成雙脈沖測試電路。上管外接空心電感作為感性負(fù)載。下管給兩個連續(xù)脈沖，第1個寬脈沖測試器件的關(guān)斷特性，第2個因為第1個脈沖結(jié)束時電感電流通過上管的體二極管續(xù)流，所以第2個脈沖開始時會發(fā)生體二極管反向恢復(fù)現(xiàn)象，因此雙脈沖測試能真實地反映出器件在三相橋電路中的工作特性[5]。設(shè)置測試母線電壓為800V，加熱臺溫度設(shè)置為25℃,保證結(jié)溫處于設(shè)定值，驅(qū)動電壓為15V，門極電阻為10Ω。MOSFET不同通態(tài)電流下的開關(guān)損耗數(shù)據(jù)，將其與硅IGBT數(shù)據(jù)手冊上的數(shù)據(jù)一起處理后得到兩者間的開關(guān)損耗對比圖。可見，在800V電壓下，碳化硅MOSFET與硅IGBT相比，不管是關(guān)斷損耗還是開通損耗都是碳化硅MOSFET的損耗小。隨著通態(tài)電流的增大，硅IGBT的開關(guān)損耗急劇增大，而與之相對的是碳化硅MOSFET的開關(guān)損耗增長幅度較小。硅IGBT的關(guān)斷損耗遠(yuǎn)高于碳化硅MOSFET是由于其存在拖尾電流；開通損耗高可能由體二極管的恢復(fù)電流帶來。測試結(jié)果顯示碳化硅MOSFET在開關(guān)損耗上的性能優(yōu)于硅IGBT的雖然兩種器件損耗特性對比顯示出碳化硅MOSFET在開關(guān)損耗上小于硅IGBT，但是器件在實際應(yīng)用上需要考慮散熱等因素，所以需要對兩者進(jìn)行系統(tǒng)性仿真，對比兩者間的損耗和結(jié)溫。進(jìn)一步驗證碳化硅MOSFET在空調(diào)壓縮機(jī)控制器的應(yīng)用上優(yōu)于硅PLECS仿真軟件具有熱建模功能，可以使用雙脈沖測試測量得到的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗等數(shù)據(jù)建立熱損耗模型，適合對高頻功率器件進(jìn)行熱損耗和開關(guān)損耗仿真。在PLECS中建立合適的熱環(huán)境和電氣系統(tǒng)，由PLECS運行熱模型并計算出整個系統(tǒng)的損耗和溫升數(shù)據(jù)，從而對比碳化硅MOSFET和硅IGBT在空調(diào)壓縮機(jī)控制器系統(tǒng)中的損耗和結(jié)溫[6]。開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗可以通過控制器效率體現(xiàn)，故器件仿真的損盡管熱仿真結(jié)果與實際結(jié)果存在一定的偏差，但還是能對實際應(yīng)使用PLECS仿真軟件建立系統(tǒng)電路圖。因為器件是用在空調(diào)壓縮機(jī)控制器上，故可建立三相逆變器模型，使用PLECS模塊庫中的散熱板、熱阻、連續(xù)熱源構(gòu)造系統(tǒng)熱環(huán)境。對雙脈沖測試獲得的器件參數(shù)結(jié)合系統(tǒng)熱環(huán)境。對雙脈沖測試獲得的器件參數(shù)結(jié)合各自數(shù)據(jù)手冊上的信息進(jìn)行器件熱建模后，將C3M075120J和IXGA20N120B3的PLECSR熱模型分別導(dǎo)入到碳化硅MOSFET三相模塊和硅IGBT三相模塊中。散熱板模擬的是控制器的水冷散熱器，熱熔設(shè)置為200J/K。連續(xù)熱源模擬的是水冷液的溫度，設(shè)置為35℃。母線電壓使用800V，模擬電動汽車的800V高壓平臺。根據(jù)壓縮機(jī)的工作需求，輸出電壓設(shè)置為450V，電流范圍選擇2-根據(jù)壓縮機(jī)9000r·min-1的轉(zhuǎn)速要求設(shè)置逆變器基波頻率為600Hz?？梢钥闯?，應(yīng)用碳化硅MOSFET的控制器輸出電壓穩(wěn)定，在不同的輸出電流時，器件仿真結(jié)溫低于硅IGBT的仿真結(jié)溫，并且隨著電流的增大，兩者間的差距逐漸變大。更低的溫升意味著控制器有更低的損耗且能夠工作在更高的環(huán)境在99%以上，符合雙脈沖測試得到的開關(guān)損耗較小的測試結(jié)果。為了驗證在實際應(yīng)用中使用碳化硅MOSFET的壓縮機(jī)控制器具有較低的損耗，也就是控制器擁有高效率，這里搭建了電機(jī)對拖平電機(jī)對拖實驗?zāi)軌蚰M電機(jī)帶負(fù)載的工況。分別控制兩臺電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，可以測得不同轉(zhuǎn)速和扭矩下的控電機(jī)對拖實驗控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為9000r·min-1，輸出扭矩范圍在1-7N，似的極高的效率，稍低于仿真效率的原因可能是實際電路的驅(qū)動但上述對拖效率結(jié)構(gòu)已經(jīng)能驗證出碳化硅MOSFET控制器在實際應(yīng)用中確實有極高的效率，有利于電動汽車的熱管理。針對電動汽車熱管理的問題，通過選取適用于800V高壓充電平臺的碳化硅MOSFET和硅IGBT，對比兩者間的器件開關(guān)損耗。通過PLECS系統(tǒng)性仿真和電機(jī)對拖實驗得到控制器效率對比分析，最終驗證了碳化硅MOSFET使用在壓縮機(jī)控制器上提高了壓縮機(jī)的效率，有利于電動汽車的熱管理。不僅如此，傳統(tǒng)1200V硅IGBT方案由于開關(guān)損耗較大，散熱問題嚴(yán)重，因此一般限制在15kHz以內(nèi)。采用碳化硅MOSFET方案后，可以通過提升逆變器開關(guān)頻率，以減小輸出電流的總諧波畸變率，從而減小壓縮機(jī)的諧波損耗，提升壓縮機(jī)的效率，進(jìn)一步提高空調(diào)熱泵系統(tǒng)的效率，更有利于電參考文獻(xiàn)[1]馬建，劉曉東，陳軼嵩，等。中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展[2]徐曉東，樊玖林。新能源汽車?yán)m(xù)駛里程焦慮及維修技術(shù)研究[J]。[3]Zhi-xingWang,Ming-shanWei,ChongGuo,etal.EnhancetheHeatingPerforman