应对全球变暖、污染以及减少碳排放目标的达成需要以汽车减排为起点。汽车行业正在不断推动提高燃油有效率及减少排放量的同时提升汽车的电气化程度。
作者：Omid Shajarati; Alexander Streibel; Norbert Apfel
Danfoss Silicon Power/丹佛斯硅动力
背景简介
随着全球混动(BHEV)和纯电动(BEV)汽车的普及以及驱动牵引设计的不断升级，汽车制造厂商需要针对现阶段和未来产品设计需求进行评估，找到最适合的电力电子技术方案。整体性能的提升，更高的转换效率，更加优化的成本，更轻的重量体积以及更高的功率密度是所有汽车制造厂商不断的追求。
效率的提升可以降低能耗，电池的容量也要求满足特定的续航里程。
与硅(Si)的IGBT或MOSFETs相比，碳化硅(SiC)的IGBT及MOSFETs具备更多优势，例如：更快的开关频率、降低电机损耗的同时提升驱动系统的噪音特性。随着开关频率的提升，电机的正弦电流不断增加的同时降低电机损耗、减小通态及断开时的损耗、更高的导热率和介电强度。从本质上实现更高功率密度的同时减小逆变器的体积和重量。
基于碳化硅器件（SiC）的应用有可能会对电机系统其它部件形成挑战，所以需要在整体系统层面进行评估。比如，高开关速度的应用如果不配备输出滤波器将会出现高压斜率(dV/dt)，导致电机绝缘击穿。与此同时，高开关速度也会引起不必要的电容耦合和电磁干扰问题。
碳化硅(SiC)器件高昂的应用成本是影响其接纳程度的最明显的争论点。碳化硅（SiC）芯片组的价格往往是普通硅(Si)芯片组的几倍。随着半导体技术的发展，碳化硅(SiC)芯片组的价格将会随着接纳度、产能以及晶元直径和技术先进度的不断提升而降低。
混动汽车(HEVs),插电混动汽车(PHEVs)以及纯电动汽车(BEVs)所需的关键系统都将受益于碳化硅（SiC）的功率器件，从而提升电动汽车的能效和性能。
DCM™ 1000X基本信息
丹佛斯基于目前针对混动和纯电动汽车牵引应用的DCM™ 1000产品平台进行扩充，推出了DCM™ 1000X平台化产品。DCM™ 1000X平台产品采用1200V硅(Si)及碳化硅(SiC)芯片。其中，专为驱动系统设计的DCM™ 1000X碳化硅方案可实现1200V阻断电压，配备高达950V DC-Link电容，额定电流可达到200A-800A。1200V平台方案可以满足普遍应用中对于绝缘的要求，比如：LV123, IEC 60664-1或是950V DC-LINK电压的安全余量。
正如DCM™ 1000 (750V)方案，DCM™ 1000X方案专为在严苛环境下运行而设计。高温度循环能力最高可达135K, 可适应高湿以及机械冲击与震荡的环境。该功率模块方案采用特殊的树脂涂料塑模工艺使其可以满足在高冲击和震荡环境下正常运行的要求，如图1所示。
为了实现最高功率循环性能和生命周期，DCM™ 1000X平台模块方案沿用了DCM™ 1000方案采用丹佛斯DBB® 专利技术。DBB®专利技术可以使模块在高结温情况下正常运行。芯片与基板采用烧结技术结合DBB®以及铜绑定线工艺可以实现更高功率及更佳温度循环性能，相对于一般绑定工艺铜绑定工艺可以将寿命周期提升15倍。
图1中也可以看到DCM™ 1000X采用了ShowerPower® 3D直接水冷技术，可以达到更卓越的散热性能。相对于其它水冷技术ShowerPower® 3D具有许多优势。比如，相对于pin fin冷却方式。
并联的冷却方式避免了pin fin冷却所引起的温度不均的现象。这一方式还可以根据不同应用需求定制冷却水道，同样的情况pin fin的冷却方式由于会产生“湍流效应”所以是不可能实现的。
图1. DCM™ 1000X.
DCM™ 1000X是基于多种芯片品牌进行筛选，挑选最优化的芯片进行设计。丹佛斯硅动力可以提供基于不同芯片的设计方案确保选取最优设计方案及充足供应能力的同时保证最高的性价比。
DCM™ 1000X电气性能
DCM™ 1000X很好的满足了电动车市场的需求，成功将DC-link电压从450V提升至950V，实现了翻倍。这不仅提升了输出功率也可以实现更快的充电能力。功效达到200kW以及上的逆变器可以通过使用1200V芯片的Si IGBT或SiC MOSFETs实现设计。相对于低DC-link电压，提升后的DC-link电压，实现同样的输出功率可以使相电流减少50%，快速充电时间可以在10分钟之内完成。鉴于这种非线性的关系，在同样的结构下，相较于传统650V/750V的功率模块，采用了1200V芯片DCM™ 1000X封装的IGBT可以实现更高的输出功率。正如上面提到的，SiC MOSFETs的优势在于，可以在通态状态下实现最优负载，实现低开关损耗。所以总体来讲，逆变器的开关频率越高整体的优势会越加显著。
图2展示出逆变器冷却剂边界条件为每分钟10升水的最小流量、冷却剂最高温度为65°的情况下，1200V Si IGBT(1000平方毫米硅)和SiC MOSFETs（400平方毫米碳化硅,外部二极管不包括在内）的对比。
汽车逆变器通常的设计原则标明在运行中的IGBT， 175°C额定器件的最高结温应不超过165°C，SiC MOSFETs设计为额定SOA为200℃时运行最高结温为190℃。需要强调的是只有采用了DBB®技术的同时保证最高值在芯片运行结温安全范围之内才能实现这样结温效果。
此外，ShowerPower® 3D冷却技术可以将如上所述不可达到的热阻条件得以实现。基于不同芯片的尺寸这一结果设定为200mm² SiC MOSFETs及300mm²IGBT每次开关的结果.
这样的热阻值说明，SiC在结温为190°C并且ΔT设定为125K时，模块总损耗仅限于2.5kW, DCM™1000X可以在上述冷却条件下的峰值负载时耗散超过625W/cm²的损耗。(IGBT模块损耗在 2kW时IGBT损耗为325W/cm²)
图2：最高相电流与高频开关结温(10K开关频率最高结温在175°C 和 200°C)变化对比图850VDC, m=cos(φ)=1, 10l/分钟. 每个逆变器, 冷却液温度65°C.
如图2中所示，当相位电流在最大值并超过开关频率时SiC MOSFETs只有轻微的下降，可以看出SiC在高开关频率时所展现出的卓越性能。换句话说，不需要降额就可以将在低开关频率时的IGBT最好的性能发挥出来。因此，SiC MOSFETs可以在同等输出功率及合理的开关频率的前提下将逆变器的效率发挥到更大。同样的效率只能通过扩大Si的面积实现，但不足的地方为随着面积的增加系统成本也会相应提高。另外，在某些特定负荷区间时（如图2所示 Tjunction = 100°C）Si和SiC效率的差距会愈加明显。
汽车级1200V IGBT 牵引功率模块具有极高的性价比。DCM™1000X从性能上，实现双倍的DC link电压的同时减少50%的电流。在采用SiC MOSFETs之前, 1200V SiC IGBT性能已经作为一种替代方案可以从性能上实现将DC-link 电压从475V提升至950V。
图3：DCM™ 1000X电气性能采用最新一代Si 1200V IGBT, 每台逆变器流量 850VDC, m=cos(φ)=1,冷却剂温度为65°C
如图3所示，DCM™ 1000X最高输出电流采用最新一代Si 1200V IGBT，最高可达 600Arms at 6kHz.
将开关频率提高到10kHz，在有明显额外开关损耗的情况下可以减少15%的相位电流。众所周知IGBT在通态特性，在某些特定负荷区间内，无法实现最优效能。
SiC MOSFETs最早被大家了解是因为其在保证部份负载时良好性能的同时降低开关损耗。通态损耗只有在最大负荷时才占主导地位，要求各个芯片之间保持均温分布的同时降低导通电阻的温度梯度。
图4所示，DCM™ 1000X的电气性能采用最新的一代SiC MOSFETs。DCM™ 1000X目前还在开发阶段，部份客户已经在对样品进行测试。
图4：DCM™ 1000X电气性能采用最新一代SiC MOSFETs，每台逆变器流量850VDC, m=cos(φ)=1, 冷却剂温度为65°C
性能对比测试基于20kHz 及30kHz不同流量设定情况下进行。由于开关频率的影响较小及损耗情况，从20kHz提升到30kHz导致电流降额仅为80Arms. DCM™ 1000X可以使逆变器实现600Arms及以上的设计，功率可达300kW.
丹佛斯正在为DCM™ 1000X设计配套的应用测试套装，包括直流电容，母线连接，适用于3个半桥设计的散热器及门极驱动。从而，可以让客户对DCM™ 1000X的性能评估更加便利，协助客户进行逆变器的设计验证。
总结
DCM™产品平台已经扩充至950V可兼容硅（Si）及碳化硅（SiC）设计方案。该产品平台为可扩展型功率模块产品平台，未来更高性能的牵引应用方案将获益于其这一可扩展的产品平台。该平台可基于最新硅（Si）及碳化硅（SiC）技术及性能满足不同客户需求提供最全面的产品方案。
丹佛斯将提供应用测试套装，以便使客户针对DCM™ 1000X的牵引设计方案的测试验证更加简便。
DCM™ 1000X产品平台的出现，进一步扩充及加强了丹佛斯硅动力针对客户定制化模块设计方案，使产品方案更加全面。
参考:
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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