近年來，新能源車對碳化硅（SiC）MOSFET的采用已成為不可忽視的趨勢，成為未來十年新能源車輛功率電子學(xué)的主題，如何從電氣和散熱角度最大程度地提升材料和空間利用率，實(shí)現(xiàn)新能源車控制器的高功率密度成為一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。

中科院電工研究所基于SiC MOSFET分立器件并聯(lián)設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)良好動靜態(tài)均流的高功率密度電機(jī)控制器，設(shè)計(jì)了一種新型的電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出了一種能動態(tài)平衡并聯(lián)MOSFET電流的高抗擾驅(qū)動電路以及可實(shí)現(xiàn)低寄生電感、大電流以及高散熱的適合分立器件并聯(lián)應(yīng)用的新型印制電路板（PCB）疊層母排設(shè)計(jì)方法。

功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的分立器件并聯(lián)控制器并聯(lián)均流效果好、散熱好、功率密度高，在風(fēng)冷的條件下，實(shí)現(xiàn)了效率最高為99.5%，功率密度為60 kW/L，可應(yīng)用到新能源整車系統(tǒng)中。

研究背景

隨著技術(shù)的進(jìn)步，SiC MOSFET已經(jīng)可以滿足電氣傳動、新能源等高效的電氣傳輸需求，然而SiC模塊的售價(jià)過高，這阻礙了開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電力驅(qū)動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的功率模塊不同，分離器件的制造技術(shù)更加先進(jìn)，其制造精度更高，而且生產(chǎn)效果更好，另外，采用分離器件的并聯(lián)技術(shù)，不僅可以靈活增加或減少器件的數(shù)量，還可以根據(jù)需要調(diào)整器件的參數(shù)，從而提供更加靈活的功率拓?fù)?，進(jìn)而有利于實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

但是，并聯(lián)電路回路中寄生參數(shù)比較復(fù)雜，分布難免出現(xiàn)不對等的現(xiàn)象。SiC MOSFET的開關(guān)速度較高，因而極易在開關(guān)過程中電壓與電流產(chǎn)生振蕩比較嚴(yán)重的現(xiàn)象，而相比于IGBT來說，會給系統(tǒng)帶來更嚴(yán)重的電流負(fù)載不均衡問題。當(dāng)輸出負(fù)載不均衡時(shí)，將會形成各種損耗、應(yīng)力和短路問題，不僅會嚴(yán)重干擾系統(tǒng)的正常工作，還可能會增加系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，因此縮短了其實(shí)際使用期限。

論文所解決的問題及意義

分立式SiC MOSFET器件并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要克服的主要問題有高功率密度下的多功率器件并聯(lián)均流問題、低雜感疊層母排設(shè)計(jì)問題、大電流的承載問題和大功率的散熱問題等。目前針對器件并聯(lián)后可能出現(xiàn)的動靜態(tài)電流不均衡的問題，雖然進(jìn)行了大量研究，但都存在各種弊端，大多方法需要額外增加一些體積較大的部件，增大了系統(tǒng)復(fù)雜度的同時(shí)，降低了系統(tǒng)的可靠性及功率密度，而且不能進(jìn)行大規(guī)模的推廣使用。此外，關(guān)于SiC功率模塊的疊層母排如何進(jìn)行設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)有一些，然而，適用于分立SiC MOSFET器件并聯(lián)的疊層母排的設(shè)計(jì)方法，還沒有詳細(xì)的文獻(xiàn)研究。

基于分立器件并聯(lián)的疊層母排的設(shè)計(jì)，除了考慮降低回路的雜感以外，各并聯(lián)回路之間的阻抗對稱也是需要重點(diǎn)考慮的要素。這是因?yàn)榀B層母排如果結(jié)構(gòu)不對稱，必然會帶來寄生阻抗的不對稱，進(jìn)而使并聯(lián)器件之間電流不均衡。不均衡的電流會出現(xiàn)各種損耗、應(yīng)力以及短路問題，迫使整個系統(tǒng)降額運(yùn)行。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）控制器電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了從電氣和散熱角度最大程度地提升材料和空間利用率，整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功率模塊、驅(qū)動電路、電容與母排的協(xié)同設(shè)計(jì)。為了減小功率回路的耦合電容與雜散電感，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)器件對稱的功率回路，采用了多疊層的圓形PCB結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)低感疊層母排。

直流側(cè)支撐電容采用多只并聯(lián)形式，焊接在功率板上，通過覆銅層連接到各個并聯(lián)功率模塊的相應(yīng)管腳上，以減小等效電感和等效電阻；功率板與電機(jī)三相交流輸出端采用銅柱連接，實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)用，同時(shí)起到支撐電路板的作用；為了節(jié)省空間，采用了PCB級電流傳感器，且傳感器位于功率板上；功率模塊均勻布置于圓筒形鋁殼內(nèi)壁加工出的凸臺上，通過螺釘與安裝面固定并進(jìn)行散熱。

最終設(shè)計(jì)的分立器件的高功率密度控制器的電氣結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。控制電路板、驅(qū)動電路板和功率電路板均設(shè)置為了圓形，且為上下三層的結(jié)構(gòu)，控制板的直徑只有72 mm，驅(qū)動板與功率板直徑相同，均為88mm，板子形狀為圓形，有利于分立器件的對稱布局，進(jìn)一步有利于均流。

圖1 控制器電氣結(jié)構(gòu)布局

小體積的電路設(shè)計(jì)節(jié)省了系統(tǒng)空間的同時(shí)，也有利于降低驅(qū)動回路寄生電感。高功率密度的電路板增強(qiáng)了整個電子系統(tǒng)的集成度，最終提升了控制器的效率。控制器電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，控制器實(shí)物圖如圖3所示。

圖2 控制器電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 控制器實(shí)物圖

（2）并聯(lián)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

并聯(lián)驅(qū)動電路原理框圖如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流，兩并聯(lián)的SiC MOSFET管共用一個驅(qū)動芯片和推挽放大電路，除了共用一個門極驅(qū)動電阻R0以外，每個SiC MOSFET管還有各自獨(dú)立的開通電阻Rg1（Rg3）與關(guān)斷電阻Rg2（Rg4），使每個SiC MOSFET管的門極電壓可以獨(dú)立地開通與關(guān)斷，保證了在每個SiC MOSFET管的門極閾值電壓有差異的情況下也可實(shí)現(xiàn)同時(shí)開關(guān)。

兼顧面積、功率、散熱等因素，選擇了采用磁性元件平衡回路阻抗特性的方法，保證并聯(lián)等效阻抗相同。因此，在并聯(lián)SiC MOSFET管的開通電阻與關(guān)斷電阻的后面分別串聯(lián)了一個鐵氧體磁珠Lg1與Lg3，同時(shí)也可以抑制SiC MOSFET柵極回路中快速開關(guān)引起的振鈴。

磁珠特有的高頻電阻和低頻感抗特性，可以很好地捕捉和消除高頻噪聲，但其存在的微小電感量對脈沖前沿有一定的影響。阻抗值大的鐵氧體磁珠對信號的高次諧波抑制作用好，但對脈沖信號的上升沿延遲卻較大。為了實(shí)現(xiàn)脈沖上升沿延遲小并且高頻抑制作用強(qiáng)，可按電感的暫態(tài)特性來計(jì)算選擇所需磁珠的阻抗值。

圖4 并聯(lián)驅(qū)動電路原理框圖

除了在電路上采取均流的措施外，驅(qū)動回路布局上也采用了物理上減小并聯(lián)雜感的方法，最終的驅(qū)動板PCB布局如圖5所示，12個MOSFET管均勻地分布于圓形的驅(qū)動板上，兩個并聯(lián)的MOSFET管在布局時(shí)均滿足從每個管的柵極到驅(qū)動器（驅(qū)動芯片加推挽芯片）的輸出以及從柵極返回到驅(qū)動器的路徑嚴(yán)格做到對稱，并且驅(qū)動器應(yīng)放置位于兩個并聯(lián)MOSFET管的柵極引腳中心，如圖6所示，而不是放在兩個并聯(lián)MOSFET的物理位置的中間。

圖5 驅(qū)動板PCB布局

圖6 并聯(lián)驅(qū)動PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（3）PCB母排設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)控制器的高功率密度，PCB母排上實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)MOSFET管、電流傳感器、放電電阻、直流電容以及交直流端子的一體化設(shè)計(jì)。不同PCB母排形狀、器件連接方式以及電容布局的差異性，均會產(chǎn)生不同的疊層母排結(jié)構(gòu)。圖7為設(shè)計(jì)的新型PCB母排結(jié)構(gòu)示意圖，真正實(shí)現(xiàn)了小型化、高功率密度與布局對稱。

圖7 PCB母排結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)從減小母排總自感、增大母排總互感，具有最大功率密度及物理均流特性的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一種新型的PCB疊層母排結(jié)構(gòu)。PCB母排形狀為直徑8 cm的圓形，極小的尺寸有利于減小母排的自感，圓形的布局可以更好地保證元器件的對稱性，有利于均流。

PCB母排由垂直多回路的多組PCB疊層組成，單組疊層由母線正與母線負(fù)組成，該結(jié)構(gòu)有利于增大互感，減小雜感。母排的頂層和底層均具有直流和交流走線的金屬開窗，如圖8所示。可以焊接不同厚度的不規(guī)則形狀的金屬片或金屬條，既起到擴(kuò)流、滿足承載最大電流的同時(shí)，又可以達(dá)到良好的散熱效果。

圖8 PCB母排實(shí)物

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的均流特性以及在母線電壓600 V下的開關(guān)性能，對電子系統(tǒng)進(jìn)行了雙脈沖測試。測試條件為母線電壓600 V，最大負(fù)載電流120 A，雙脈沖測試整體波形如圖9所示。

圖9 并聯(lián)器件600V/120A下均流測試波形

為了驗(yàn)證控制器性能，進(jìn)行了一系列功率實(shí)驗(yàn)。分立器件并聯(lián)SiC 控制器在風(fēng)冷、600 V母線條件下，實(shí)現(xiàn)了輸出峰值功率40 kW、輸出電流有效值62 A的實(shí)驗(yàn)工況，控制器的功率密度達(dá)到了60 kW/L。圖10為控制器功率實(shí)驗(yàn)平臺，圖11為并聯(lián)SiC MOSFET控制器功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖10 控制器功率實(shí)驗(yàn)平臺

圖11 40kW實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在風(fēng)冷強(qiáng)制對流散熱、母線電壓600V和開關(guān)頻率10kHz條件下測量了控制器在不同轉(zhuǎn)速（3000～7600 r/min）、不同峰值電流（0～88 A）下的效率曲線，其中最高轉(zhuǎn)速7600 r/min下控制器達(dá)到了峰值功率40kW。控制器的效率曲線如圖12所示，控制器最高效率達(dá)到99.5%。

圖12 控制器的效率曲線

結(jié)論

本文基于SiC MOSFET分立器件并聯(lián)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高功率密度電機(jī)控制器，為了從電氣和散熱角度最大程度地提升材料和空間利用率，實(shí)現(xiàn)高功率密度以及分立器件的良好動靜態(tài)均流，設(shè)計(jì)了一種新型的電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出了一種能動態(tài)平衡并聯(lián)MOSFET電流的高抗擾驅(qū)動電路以及可實(shí)現(xiàn)低寄生電感、大電流以及高散熱的適合分立器件并聯(lián)應(yīng)用的新型PCB疊層母排設(shè)計(jì)方法。

提出的電路及方法既有利于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)器件的動靜態(tài)均流，又可以減小寄生電感造成的影響，還可以有效抑制負(fù)向串?dāng)_電壓。對根據(jù)這些研究結(jié)果開發(fā)出來的碳化硅電機(jī)控制器，進(jìn)行了雙脈沖及功率實(shí)驗(yàn)。

結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)的分立器件并聯(lián)控制器，均流性能好、散熱性能強(qiáng)、功率密度大，并在風(fēng)冷的條件下，達(dá)到了效率最高為99.5%、總功率密度為60 kW/L，為中國的新能源汽車及電機(jī)驅(qū)動器應(yīng)用領(lǐng)域，積累了大量具有競爭力的生產(chǎn)技術(shù)和寶貴的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

在下一階段的工作中，將深入研究并聯(lián)器件在更大功率密度下的均流電路設(shè)計(jì)，研究進(jìn)一步降低PCB母排雜感的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并且深入研究在更緊湊空間環(huán)境下的電子系統(tǒng)和母排間的電氣互聯(lián)系統(tǒng)的高效散熱措施。

團(tuán)隊(duì)介紹

中國科學(xué)院電工研究所高功率密度電氣驅(qū)動及電動汽車技術(shù)研究部成立于1997年，研究部主任為溫旭輝研究員，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動，定位于高功率密度發(fā)電/驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)及其在電動汽車等電氣化交通工具中的應(yīng)用，自“九五”以來，科研成果在超過60萬套國產(chǎn)電驅(qū)系統(tǒng)產(chǎn)品中得到應(yīng)用，“十三五”期間研發(fā)的SiC控制器功率密度和效率達(dá)到國際先進(jìn)水平，被評為“十三五”新能源汽車專項(xiàng)重大科技創(chuàng)新成果。

該工作發(fā)表論文的通訊作者為范濤博士。范濤博士是中國科學(xué)院電工研究所研究員，研究部副主任，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院特聘研究員核心崗位，國際電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）高級會員，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員，中國電工技術(shù)學(xué)會電動車輛專委會委員，中國電源學(xué)會電氣化交通專委會委員，“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題負(fù)責(zé)人。

范濤研究員主要從事高性能電機(jī)控制、電機(jī)及其系統(tǒng)健康管理、高密度電力電子變換和特種電機(jī)分析與設(shè)計(jì)研究。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)并完成了10余項(xiàng)國家、中科院和地方的科研攻關(guān)項(xiàng)目，獲2022年度軍隊(duì)技術(shù)發(fā)明一等獎，2021年電工技術(shù)學(xué)會科學(xué)技術(shù)一等獎，2019年電源學(xué)會一等獎，2016年ICEMS大會最佳論文獎，EVS34最佳論文獎。帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在我國電動汽車電氣驅(qū)動技術(shù)發(fā)展方面起到了引領(lǐng)作用，在新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)方面發(fā)表學(xué)術(shù)論文80余篇，專著1本，SCI他引782次，獲得國家發(fā)明專利授權(quán)10余項(xiàng)。

本工作成果發(fā)表在2023年第22期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于分立器件并聯(lián)的高功率密度碳化硅電機(jī)控制器研究”。本課題得到十四五國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。