文章来源：《基于碳化硅的电动汽车电机控制器研究》（浙江大学）
作者：纪竹童
摘要：随着电力电子技术的发展，以碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料技术和工艺趋于成熟。与传统的硅(Si)材料功率器件绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等相比，SiC功率器件具有高耐压、低损耗、高热导率、高开关频率的优势。目前电动汽车的电机控制器中主要使用Si模块作为逆变电路的功率器件，由于Si材料本身特性的限制，电机控制器的效率提升遇到瓶颈，因此在电动汽车中迫切的需要使用SiC功率器件来替代Si功率器件，来提升电机控制器效率，由此可以带来续驶里程提升或者可降低电池用量；同时SiC功率器件的高开关频率可有效降低电机电流的高次谐波含量，从而降低电机转矩脉动，改善电动汽车的噪声、振动、声振粗糙度（NVH）特性，实现电动汽车的经济性和驾驶性舒适性提升。
本文首先对功率器件的损耗组成进行研究，对比SiC与Si器件因特性不同带来的损耗差异；搭建了基于Matlab的损耗计算仿真模型，根据功率器件的标称参数，计算出SiC和Si在给定工况下的损耗；同时分析了影响功率器件损耗的因素，研究了驱动电路中驱动电阻的取值对SiC功率器件损耗的影响，为电机控制器的驱动电路设计提供理论依据。
其次，根据电动汽车行业对电机控制器的高效率、高可靠性、高集成的需求，制定了电机控制器的参数指标，规划了电机控制器系统的总体方案和关键器件选型。针对驱动电路的设计，通过对SiC器件的开关波形测试确定驱动电阻的选型；并在驱动电路中增加了主动短路保护功能；在结构设计中使用“三明治”结构实现共壳体的一体化水道；完成了一台适用于电动汽车行业的150kW电机控制器样机研制。
再次，在实现永磁同步电机控制算法时，较低的开关频率会产生较大的谐波电流，谐波电流会带来电机转矩波动和噪声。由于SiC相比于Si器件具有快速开关特性，使得需要高开关频率的谐波电流补偿算法成为可能。为了提升汽车电驱动系统的NVH特性，在永磁同步电机矢量控制原理的基础上引入谐波电流补偿算法来降低转矩波动和噪声。建立了Matlab/simulink仿真模型，对谐波电流补偿算法进行仿真验证，对比分析了开关频率在8kHz和20kHz下转矩脉动幅值的大小，验证了SiC电机控制器可通过高开关频率的谐波电流补偿算法，更有效地抑制转矩波动和降低噪声。
最后，对SiC电机控制器进行了双脉冲测试、台架效率MAP测试和整车试验验证。搭建了双脉冲测试平台，通过双脉冲测试，测得功率器件的开通和关断时间在150ns以内，开关瞬间的电压尖峰在设计范围内，验证了驱动电路设计的合理性；通过电机台架的效率MAP测试，SiC电机控制器的最大效率达99.4%，相比于SiIGBT的电机控制器，最高效率提升超过1%，其中在低速低扭区域效率最高提升5.1%，具有明显的效率提升效果；通过整车性能测试，电机谐波电流补偿对于整车NVH有明显的提升效果，其中电机转速低于4000rpm时，谐波电流补偿功能可以使电驱动系统的近场噪声降低18-25dB。
第三章基于碳化硅的电机控制器硬件系统
3.1引言
本文研究的电机控制器主要针对纯电动汽车，通过驱动永磁同步电机实现电驱动系统的功能。新能源汽车对电驱动系统的要求是，高效率、高功率密度、高可靠性、低噪声。为了满足上述要求，电机控制器需要满足低损耗、结构紧凑、低转矩脉动的要求。基于SiC材料的MOSFET，本章提出了电机控制器的总体结构和硬件设计方案，通过系统架构设计、关键器件选型、散热结构设计、主控电路和驱动电路设计，完成了电机控制器的总体硬件方案和样机设计。
3.2电机控制器总体架构
电动汽车的电机控制器主要由两部分电路组成，分为控制电路和逆变电路；逆变电路的主拓扑是三相全桥逆变电路，通过功率器件将电池的直流电逆变成电压、频率可调的交流电；控制电路包含采样、信号处理、运算、保护等功能，通过主控芯片中的电机控制算法产生PWM信号，从而驱动功率器件动作；逆变电路中包含驱动电路，为逆变电路提供驱动能力，驱动电路主要包括SiC驱动电路和过流保护电路。
目前主流的新能源车企的电驱动系统不断提升功率需求，以满足客户对百公里加速和爬坡性能等动力性要求，如2吨重的电动轿车会选用峰值功率120kW以上的电驱动系统。为了测试SiC电机控制器的实际损耗，以及满足市场对大功率电驱动系统的需求，本文设计一台150kW的电机控制器，使用SiC模块作为逆变单元的功率器件，电机控制器整体技术指标，如表3.1所示。
目前市场上主流的使用Si基功率器件的电机控制器，最高工作效率可达到98%。使用SiC功率器件后，电机控制器的平均工作效率和最高工作效率均可实现提升。
本文设计的SiC电机控制器硬件系统框图，如图3.1所示。电机控制器硬件系统框图中包含控制电路和驱动电路，其中控制电路包含DSP及外围电路、信号采样电路、旋变编码器处理电路、开关电源电路等；驱动电路包含SiC驱动电路和过流保护电路。控制电路中，主芯片采用永磁同步电机量控制算法，生成PWM脉冲信号，驱动由功率模块组成的三相桥式逆变电路，输出幅值、频率可调的三相交流，实现永磁同步电机的调速。
3.3、SiC电机控制器的驱动电路
SiC电机控制器的驱动电路主要包含SiC功率器件、SiC驱动电路、驱动保护电路和主动保护电路(ActiveShortCircuit)。
3.3.1、SiC功率器件选型
SiC功率器件选型对电机控制器的效率起关键作用。选型时重点考虑两个参数，母线电压和集电极电流。储能电池电压最高为820V，在此基础上还需要考虑SiC器件开关时叠加在母线电压上的尖峰电压，因过压保护延时需预留的母线电压上升空间，及一定的使用裕量；综合评估，选择标称漏源极耐压为1200V的SiC模块。对于820V的母线电压工况，当峰值输出功率为150kW时，对应的交流输出电流有效值约为250A，考虑电流裕量，标称漏源极电流需大于400A；综合考虑，选用国产功率半导体厂商的SiC模块MD500HTR120P6，其标称参数为1200V，500A。SiC功率模块其他参数如表3.2所示：
表3.2中的典型值，仅在上述测试条件下测得。例如tr和tf数值，测试条件中列出RG=0Ω；如果调整驱动电阻，开关时间也会相应变化。
SiC功率器件的实物图如图3.2所示：
图3.2中的SiC功率模块的封装形式为HybridPACK封装，与目前市场主流的Si模块封装一致，可实现同封装互换。
3.3.2、SiC功率器件的驱动电路
驱动电路的设计原则在第二章中已经做过阐述，基于SiC器件的高频开关特性和驱动能力需求，选择Infineon公司的汽车级驱动芯片，型号为1EDI2002AS；该芯片是单通道隔离的IGBT驱动芯片，电气隔离电压高达6kV，可以驱动600V和1200V的功率器件。初级侧支持5V逻辑电平，带有16位标准SPI接口；具备完善的保护功能接口，支持退饱和监测、可编程的两级驱动信号关闭/开启通道和主动短路保护策略，尤其适用于对功能安全等级要求较高的电动汽车行业。
驱动芯片初级侧和次级侧通过电气隔离，使高压回路与低压控制回路不共地，避免高压侧干扰耦合到低压侧，如果高压侧出现短路等异常工况，也能避免将故障传导到低压侧，防止过高电压击穿低压回路上串联的其他零件。驱动电路初级侧功能主要是接收主控芯片发出的PWM脉宽调制信号，同时该款驱动芯片的SPI通讯与主控芯片相连，可以将驱动芯片自身检测到的过压、过流等故障以SPI通讯的方式反馈给主控芯片。
以W相下桥驱动电路为例，初级侧电路如图3.3所示：
驱动电路的初级侧和次级侧通过驱动芯片实现电气隔离。驱动电路的次级侧电路包含驱动、退饱和监测、主动短路保护功能。驱动功能通过基极驱动电压管脚Pin6实现，Pin6接驱动电阻R288后，直接连接到W相下桥的基极驱动管脚，当Pin6为高电平时，SiCMOSFET导通，反之则关闭。同时，由于引线电感的存在会带来桥臂串扰，因此驱动电路设计中增加负压关断以保证关断的可靠性。
驱动电路次级侧原理图如图3.4所示。驱动电阻R288的阻值根据第2章2.4小结的分析，取值为1Ω，然后根据双脉冲测试结果再进行调整。
3.3.3、SiC功率器件的驱动保护电路
功率器件过载能力有限，在过流、短路等极端工况下极易失效。本文采用退饱和监测功能来持续监测Vps两端电压。当SiC模块开通时，如果流过的电流过大，超过设计阈值，则Vs两端电压将超过正常工作的电压范围。Vps电压与I相关性曲线图如图3.5所示，通过驱动芯片的DESAT管脚监测VDs电压，功率器件的集电极和DESAT管脚之间，串联一个反向高压二极管和电阻R284，对短路保护值进行调节。
根据图3.5中SiC模块的VDs电压与ID相关性曲线所示。当功率管正常导通时，集电极电压不超过1V，当VDs电压超过4V，则模块电流超过1000A，则认为SiC模块发生了短路或过流，考虑到反向二极管的管压降约为0.5V,将DESAT管脚检测值设定到4.5V，则功率管流过电流超过1000A时，会触发驱动芯片的DESAT保护。
当驱动芯片的DESAT保护功能被触发，驱动芯片会同时触发两个动作：第一，驱动芯片将关断自身PWM输出，保持低电平，防止W相下管导通；第二，驱动芯片OSD管脚由高电平变为悬空，OSD内部的下拉电阻将管脚拉到低电平，此时使得U28的ASC管脚同时被拉低。U28是一款隔离单通道栅极驱动升压器，与驱动芯片配合可实现主动短路功能。其他五路驱动电路拓扑与W相相同，U28的ASC信号也连接其他五路驱动芯片的OSD管脚；当ASC管脚被拉低，U28的输出管脚5和7被拉低，通过R113~R115电阻与R288驱动电阻形成分压，从而拉低W相下管的驱动电压，其他5个功率管可以通过相同方式被关断，从而达到关断三相桥输出的目的。
当电动汽车在道路上行驶时，如果车速高于一定值，永磁同步电机的反电势会高于电池电压；此时如果关断三相桥PWM输出，三相桥臂的续流二极管将形成三相整流电路给电机控制器的直流链支撑电容充电，当电压超过直流电容耐压，会导致直流电容过压击穿，最终导致电机控制器损坏。
为避免上述情况发生，对三相桥的上桥和下桥驱动电路进行分别处理，如图3.6所示：
下桥驱动电路的ASC信号除了连接到隔离升压器，还通过R51连接到MCU的控制引脚。如果车速过高，则MCU将引脚置为高电平，使ASC信号保持高电平，使得下三桥的U28等隔离升压芯片的5和7管脚保持高电平输出，从而使下三桥保持导通。上三桥ASC则直接拉低，不受ASC功能控制，由驱动芯片的TON和TOFF管脚分别连接隔离栅极升压器的TONI和TOFFI引脚开关，如图3.7所示，此时TON与TOFF的状态受到MCU控制，相比于ASC有更高优先级。当上桥驱动芯片故障时，TON与TOFF输出丢失，则ASC引脚控制栅极升压器持续将驱动信号拉低，防止功率器件误导通，保证驱动电路可靠性。
6路驱动电路共同组成了SiC电机控制器的驱动板，为减小驱动电路的引线电感，驱动板与SiC功率器件直接通过Pin针连接。
3.4、SiC电机控制器的控制电路
控制电路包含采样电路、控制芯片及其外围电路、电源电路等，主要功能是通过电压、电流、位置信号采样和运算生成PWM脉宽调制信号，驱动三相桥式逆变电路开关：以及生成多路电源给控制芯片外围电路和驱动电路供电。控制电路的电气原理图如图3.8所示：
控制器的主控芯片选用满足功能安全ASILC等级的3核CPU，型号为英飞凌公司的TC275；TC275是英飞凌的AURIX系列车规级处理器，具备3个运算核和2个校验核，Flash存储空间达到4M，可以满足电机控制算法的实时要求。同时TC275具有丰富的外设资源，包含4个CANFD接口，一个IC接口，8个独立的输入通道可用于调节触发和输入选择，8个独立输出通道可实现事件的组合和中断，实现功率器件的驱动和快速保护功能。
控制板上电源电路框图如图3.9所示，在图3.9中KL30和KL31分别为电动汽车低压蓄电池的正极和负极，KL15_SBC为钥匙开关信号。TURN_OFF为安全关断控制信号。控制器静态功耗需要控制在100uA以内，所以当车辆不被唤醒时，控制器内部电路应当以最低功耗运行，因此电源电路中使用了TLF35584电源控制芯片(SBC)来控制低压供电。该芯片支持硬件唤醒和Can唤醒功能，当KL15为低电平且Can通讯没有收到唤醒帧时，SBC通过控制关断后级升压电路(BOOST)的输入，使驱动板上的元器件电源断开，同时主控芯片也进入低功耗模式。当SBC被KL15或者Can通讯唤醒时，后级电源获得电源输入，同时主控芯片退出低功耗模式。
控制板如图3.10所示：
3.5关键器件选型
关键器件通常为价格较高或功能重要的器件，从上述方面评估，控制器的关键器件包含主控芯片、驱动芯片、功率器件、直流链支撑电容、电流采样传感器、旋变解码芯片等。根据总体设计目标及功率器件选型，可确定其他关键器件的选型，如驱动芯片、直流电容等，不再一一列举。
电机控制器硬件方案关键器件清单，如表3.3所示：
3.6结构与散热设计
为缩小电机控制器体积，控制器内部采用层叠式结构，自上而下依次是控制板、屏蔽板、驱动板、功率器件、水道和DC-LINK电容，电机控制器的层叠结构如图3.11所示：
样机实物照片如图3.12所示。从图3.12的试验样机中可以看出，功率部分采用“三明治”水道结构，从上至下依次是SiC功率模块，水道和DC-LINK电容。紧凑的结构设计有效的利用了垂直空间，使水道同时冷却功率模块和DC-LINK电容，水道的利用率更高。
底部壳体与外壳独立，安装时从水道下方先装入电容和底板，然后再组装水道上方的功率器件和驱动板等，共壳体水道透视图如图3.13所示。
功率模块和水道之间通过橡胶圈密封，功率模块底部为Pin-Fin齿针结构，，Pin针伸入到水道内部，增大与水道的散热面积，使功率器件产生的热量更容易被带走。
3.7本章小结
本章根据电动汽车行业对电机控制器的高效率、高可靠性、高集成的需求，制定了电机控制器的参数指标，并规划了电机控制器的系统总体方案和关键器件选型，完成了驱动电路设计并在驱动电路中增加了主动短路保护功能。在结构设计中使用“三明治”结构设计了共壳体的一体化水道，有效利用电机控制器内的垂直空间。最终完成了一台150kW电机控制器样机。
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