日前，由上汽大眾與臻驅(qū)科技共同開發(fā)的首個基于碳化硅SiC技術(shù)的“三合一”電驅(qū)動系統(tǒng)試制完成并亮相大眾IVET創(chuàng)新技術(shù)論壇。經(jīng)上汽大眾測試，這款搭載臻驅(qū)科技碳化硅SiC電控的“三合一”電驅(qū)動系統(tǒng)可提升ID 4X車型至少4.5%的續(xù)航里程。

 

可為上汽大眾ID 4X車型提升至少4.5%的整車續(xù)航里程

 

碳化硅SiC，第三代功率半導體的代表材料，是業(yè)內(nèi)公認的下一代電驅(qū)動產(chǎn)品的核心技術(shù)之一。憑借其耐高壓、高頻、高溫的特性，基于碳化硅SiC材料的電驅(qū)動解決方案能夠使電驅(qū)動系統(tǒng)效率更高，損耗更低，重量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊，在相同功率下實現(xiàn)輕量化的產(chǎn)品設計。當前，全球僅有特斯拉等少數(shù)主機廠實現(xiàn)了碳化硅SiC材料的大規(guī)模量產(chǎn)應用。

 

搭載臻驅(qū)科技碳化硅SiC電機控制器的 MEB“三合一”電橋

 

作為國內(nèi)領(lǐng)先的碳化硅SiC電驅(qū)動系統(tǒng)解決方案供應商，臻驅(qū)科技早在2021年上半年便與上汽大眾開啟了該預研項目的合作，為上汽大眾開發(fā)匹配MEB平臺“三合一”電橋的碳化硅SiC電機控制器。在接到項目任務后，臻驅(qū)科技組織骨干力量投入技術(shù)攻堅和產(chǎn)品研發(fā)，快速響應上汽大眾的定制化需求。

 

臻驅(qū)科技SiC功率模塊和電控項目組

 

臻驅(qū)科技總經(jīng)理助理夏雨昕博士表示：“本次與上汽大眾的合作是臻驅(qū)科技自研碳化硅SiC功率模塊及電控首次搭載于“三合一”電橋，對于EMC設計、軸電流、抗振動等提出了新的挑戰(zhàn)。盡管面臨時間緊、任務重、壓力大的困難，臻驅(qū)科技項目團隊憑借深厚的技術(shù)積累，始終保持高效的研發(fā)質(zhì)量和速度，逐一解決了在研發(fā)進程中各個技術(shù)難點。”

 

采用日本羅姆ROHM第四代碳化硅SiC芯片的電機控制器

 

碳化硅SiC電控系統(tǒng)的開發(fā)難點主要在于SiC模塊的本體設計及高速開關(guān)帶來的系統(tǒng)EMC問題應對。臻驅(qū)科技開發(fā)的這臺電機控制器采用了日本羅姆ROHM最新發(fā)布的第四代碳化硅SiC芯片。相較于傳統(tǒng)的IGBT器件，SiC器件在實際多芯片并聯(lián)應用時會出現(xiàn)許多本體設計挑戰(zhàn)，如多芯片間的電流不均衡會導致進一步的熱不均限制芯片的滿額使用（如圖1改善前與改善后的對比），芯片結(jié)電容與回路漏感構(gòu)成的LC諧振，同時高的di/dt在回路漏感上產(chǎn)生較大的電壓過沖限制了模塊的輸出能力等，綜合來看重點在于多維度設計考慮，避免單一因素的短板效應制約SiC在輸出能力、效率等方面的優(yōu)勢。同時還需考慮工藝及成本選擇適合現(xiàn)有系統(tǒng)的封裝方案，而不是一味地引入新的材料和工藝技術(shù)。

 

圖1：改善前

 

圖1：改善后

 

SiC的引入也直接帶來了更大的di/dt及dv/dt噪聲，伴隨而來的則是更嚴峻的EMC和軸電流問題。（如下圖2可看到SiC較IGBT噪聲的變化）同時DC線纜無屏蔽層配置也對高壓濾波器的設計提出了更高的要求。不過值得慶幸的是，對于電橋產(chǎn)品，AC側(cè)采用和電機直插的形式，幫助優(yōu)化了高頻由于原高壓線纜帶來的行波諧振問題（圖3）。諸如此類的分析都需要基于電磁學本質(zhì)，在開發(fā)早期進行定量分析，精準設計EMC濾波器、板卡布局、結(jié)構(gòu)屏蔽等。

 

 

圖2  重復性脈沖頻譜對比，相較IGBT可看到由于SiC高速開關(guān)帶來的MHz級幅值抬升，以及振蕩帶來的20MHz左右頻譜尖峰

 

圖3  基于單電控的噪聲頻率對比，AC側(cè)采用直插形式后可觀察到原長線纜帶來的高頻行波振蕩消除

 

除產(chǎn)品設計外，科學測試及DoE也是開發(fā)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在過去的半年中，臻驅(qū)科技團隊與上汽大眾緊密配合，快速迭代完成了數(shù)輪測試驗證。在經(jīng)歷長達六個月的開發(fā)周期后，12月1日，這款由臻驅(qū)科技與上汽大眾共同開發(fā)的碳化硅SiC“三合一”電橋亮相大眾IVET創(chuàng)新技術(shù)論壇。根據(jù)上汽大眾方面測試顯示，這款碳化硅SiC“三合一”電橋產(chǎn)品不僅完美匹配MEB平臺的嚴苛技術(shù)需求，而且效率對比目前產(chǎn)品有了全方面提升。其中，臻驅(qū)科技開發(fā)的碳化硅SiC電控的最高效率達到業(yè)界領(lǐng)先的99.9%，未來搭載該產(chǎn)品的ID 4X車型可提升至少4.5%的整車續(xù)航里程。這也是臻驅(qū)科技的碳化硅技術(shù)對于電動車效率優(yōu)勢，首次在國際一線主機廠得到印證。

 

此預研項目的碳化硅SiC“三合一”電橋的產(chǎn)品性能同樣得到德國大眾狼堡同事的高度評價和一致認可：“該款碳化硅SiC‘三合一’電橋性能非常出色。對比現(xiàn)有的電橋產(chǎn)品，這款碳化硅SiC“三合一”電橋在能耗方面每百公里可節(jié)約0.645kW·h電能，而在EMC方面的成績也毫不遜色，很多分項成績甚至實現(xiàn)了反超。”

 

2020年臻驅(qū)科技基于自研仿真測試工具測得搭載臻驅(qū)碳化硅SiC電控的整車能耗，對比傳統(tǒng)IGBT方案續(xù)航里程可增加4.4%。 而此次與上汽大眾合作測得數(shù)據(jù)為4.5%。兩者極其接近的結(jié)果充分印證臻驅(qū)科技扎實的研發(fā)能力和仿真工具的精確表現(xiàn)，同時更堅定了臻驅(qū)科技在純電動汽車的碳化硅路線方案，未來臻驅(qū)科技將進一步擁抱電動化未來，助力全球環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。