【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）已經(jīng)改變了許多行業(yè)的電力傳輸，尤其是電動(dòng)汽車（EV）充電和車載功率轉(zhuǎn)換部分。由于 SiC 具備卓越的熱特性、低損耗和高功率密度，因此相對(duì) Si 與 IGBT 等更傳統(tǒng)的技術(shù)，具有更高的效率和可靠性。要想獲得最大的系統(tǒng)效率并且準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)性能，必須仿真這些由 SiC 組成的拓?fù)洹⑾到y(tǒng)和應(yīng)用。
Wolfspeed EAB450M12XM3 是一款車規(guī)級(jí) SiC 功率模塊，已針對(duì)牽引逆變器市場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化。這款功率模塊具備很多優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計(jì)人員還是要盡可能多的進(jìn)行系統(tǒng)仿真，以充分利用這些優(yōu)點(diǎn)。在仿真電動(dòng)汽車應(yīng)用的牽引逆變器時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須在復(fù)雜性、準(zhǔn)確性和仿真時(shí)間之間找到一個(gè)平衡。本文將探討如何開發(fā)一個(gè)適合仿真汽車駕駛循環(huán)中逆變器的模型，在這些應(yīng)用中可以利用 SiC 的優(yōu)勢(shì)。
#1 器件級(jí)和模塊級(jí)性能
仿真 SiC 牽引逆變器的方法有很多，但我們將其分為四個(gè)級(jí)別：
1. 仿真半導(dǎo)體組件本身（器件級(jí)）是成功預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能的核心所在。
2. 仿真器件的裝配或封裝（模塊級(jí)）能預(yù)測(cè)電，熱和機(jī)械性能。
3. 仿真每個(gè)子系統(tǒng)（系統(tǒng)級(jí)）將整個(gè)駕駛循環(huán)映射到電氣要求中。
4. 仿真實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)（應(yīng)用級(jí)）可以了解特定用例（例如駕駛循環(huán)）中的性能。
EAB450M12XM3（如圖 1 所示）提供了許多器件級(jí)和模塊級(jí)功能，可減少開關(guān)損耗，同時(shí)提供溫度反饋和電壓傳感/過(guò)電流檢測(cè)等功能。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝相比，該器件還具有易于集成的尺寸、優(yōu)化的熱管理、低寄生電感（6.7 nH）和低電感母線互連，以及更高的功率密度（體積減小 60%，尺寸縮小 55%）。
圖 1：Wolfspeed EAB450M12XM3車規(guī)級(jí) 1200 V，450 A 全 SiC 導(dǎo)通優(yōu)化型半橋模塊
EAB450M12XM3 不僅提供了高性能，屬于 Wolfspeed 的車規(guī)級(jí)部件，而且針對(duì)汽車應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化及驗(yàn)證。此外，選擇 Wolfspeed 器件對(duì)設(shè)計(jì)人員還有一些其他的好處：
1. 我們提供全面的電子器件仿真模型。
2. 能夠使用熱分析創(chuàng)建平均模型。
3. 能夠在 PLECS 中進(jìn)行完整的駕駛循環(huán)分析。
4. 能夠仿真逆變器性能對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和電池成本的影響。
Lucid Air 的 XM3 牽引驅(qū)動(dòng)（如圖 2 所示，該驅(qū)動(dòng)采用了 EAB450M12XM3）已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 74 kg 的重量、超過(guò) 670 hp 的功率，以及超過(guò) 9 hp/kg 的功率密度。這些規(guī)格使得 Lucid Air 榮獲 MotorTrend 年度汽車大獎(jiǎng)（2022 年）。
最后，600 kW XM3 雙逆變器參考平臺(tái)（圖 2）可幫助設(shè)計(jì)人員快速且從容地設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)原型。該參考平臺(tái)在整個(gè)功率范圍 （200 - 600 kW）中提供主要的功率密度和效率。
圖 2：Lucid Air 的 XM3 牽引驅(qū)動(dòng)（左）和 Wolfspeed 的 XM3 雙逆變器（右）
#2 系統(tǒng)級(jí)仿真和工具
Wolfspeed 使用三種主要工具來(lái)仿真功率模塊：PLECS、SPICE 和 FEA。
Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation (PLECS) 允許建模和仿真完整的電力電子系統(tǒng)，包括電源、轉(zhuǎn)換和負(fù)載。除了電子域外，它還能幫助建模物理域，例如熱、磁和機(jī)械，提供全面的系統(tǒng)級(jí)評(píng)估。它有助于器件的選擇，盡管具備多種實(shí)用功能，但可能過(guò)分簡(jiǎn)化了某些方面，例如器件的開關(guān)狀態(tài)。對(duì)于逆變器應(yīng)用，PLECS 可以使用數(shù)據(jù)表中的參數(shù)進(jìn)行建模來(lái)確定導(dǎo)通和開關(guān)損耗，同時(shí)還提供結(jié)殼熱阻的熱模型（參見圖 3）。
圖 3：損耗和熱仿真的 PLECS 模型示例
Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis（SPICE）是一種常用的開源電路仿真器，可用于評(píng)估模擬電路中的電性能。通過(guò)仿真并聯(lián)器件之間的動(dòng)態(tài)電流，幫助優(yōu)化電流不平衡，有助于逆變器的應(yīng)用。此外，SPICE 還支持 Monte Carlo 仿真和 EMC 分析。雖然它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，有許多可能的用例，但可能受到電路的影響(例如柵極驅(qū)動(dòng)特性和寄生效應(yīng))，并導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員使用誤導(dǎo)性參數(shù)從而走上錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)道路。
圖 4：FEA 仿真示例，EAB450M12XM3 熱分析
Finite Element Analysis（FEA）用于將一個(gè)形狀或結(jié)構(gòu)分解為許多更小的元素，這些元素會(huì)受到與現(xiàn)實(shí)世界力量有關(guān)的計(jì)算，如熱、振動(dòng)、應(yīng)力/應(yīng)變以及其他環(huán)境和物理影響。在模塊級(jí)上，它可以使設(shè)計(jì)人員估計(jì) RTH、寄生電感、載流量，并確定芯片間的相互作用（參見圖 4）。但是，它通常價(jià)格很高（成本方面），需要非常詳細(xì)的輸入和 CAD 模型。與 PLECS 和 SPICE 相比，它的仿真時(shí)間也是最長(zhǎng)的。
使用任何或所有這些仿真平臺(tái)可以幫助優(yōu)化效率、損耗和熱管理。例如，對(duì) SiC 半橋模塊的開關(guān)特性進(jìn)行仿真有助于預(yù)測(cè)開關(guān)電壓波形并確定紋波?？梢允褂?2D 和 3D 查找表（使用 VDC、IAM1、TJ 和 RG 等參數(shù)）計(jì)算功率損耗和開/關(guān)能量。PLECS 還可以將這些仿真的功率損耗插入帶有其他一些參數(shù)（如 RTH 和 TFLUID）的 Cauer 模型中，對(duì)半橋的熱特性進(jìn)行建模。在對(duì)負(fù)載和控制器進(jìn)行建模后，設(shè)計(jì)人員就可以進(jìn)行完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以幫助優(yōu)化器件選擇、拓?fù)洹峁芾?、效率和控制方法。圖 5 顯示了完整系統(tǒng)級(jí)仿真的一般流程。對(duì)于駕駛循環(huán)仿真，負(fù)載模型是關(guān)鍵部分。在該仿真中，負(fù)載為遵循駕駛循環(huán)曲線的電流源。
圖 5：全系統(tǒng)仿真，包括電氣、熱、負(fù)載和控制器
為了構(gòu)建此類系統(tǒng)模型，必須通過(guò)測(cè)試或數(shù)據(jù)表了解功率模塊的特性。在此，Wolfspeed 為其整個(gè)功率模塊組合提供可下載的 PLECS 模型。
一旦確定了電氣、損耗和熱模型，就可以使用它們進(jìn)行完整的車輛仿真，包括在適當(dāng)?shù)碾姎獠僮鳁l件下開展全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試程序（WLTP）駕駛循環(huán)測(cè)試。
#3 逆變器性能和駕駛循環(huán)仿真
在這一點(diǎn)上，我們已經(jīng)討論了四個(gè)仿真架構(gòu)中的三個(gè)：器件、模塊和系統(tǒng)級(jí)別。這些都是建立對(duì)駕駛循環(huán)中系統(tǒng)級(jí)功能的核心理解和期望所必需的。雖然電氣操作點(diǎn)、熱/電特性、損耗計(jì)算和模型可以在 Wolfspeed 方面處理，但全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)（WLTC）（圖 6 所示的樣本圖）將規(guī)定扭矩、速度、加速度以及這些參數(shù)的操作點(diǎn)。
圖 6：WLTC 圖
讓我們來(lái)分析一下 WLTP，了解它如何影響底層電子器件。
平均 WLTP 條件下，通常 95% 的能量損耗是開關(guān)損耗。這通常會(huì)推動(dòng)車輛續(xù)航里程提高，而且只利用了 10%（或更少）的可用熱性能。
最大 IOUT 或 WLTP 峰值條件將產(chǎn)生最大的工作溫度，但仍可能只使用 30% 的可用熱性能。
正常工作下通常不會(huì)遇到 30 秒都接近峰值電流工況，但可能會(huì)導(dǎo)致 SiC 區(qū)域需要散熱處理，從而增加逆變器成本、體積并降低效率。
了解 WLTP 概況及其對(duì)系統(tǒng)電流的要求有助于設(shè)計(jì)人員計(jì)算損耗并優(yōu)化系統(tǒng)配置。圖 7 顯示了模塊中較低的電流如何驅(qū)動(dòng)開關(guān)損耗，而較高的電流則以傳導(dǎo)損耗為主。圖中的另一張圖描述了模塊結(jié)溫通常如何隨著電流而升高。
圖 7：一個(gè)模塊的電流與損耗（左）以及電流與結(jié)溫（右）
圖 8 顯示了 WLTP 駕駛循環(huán)速度與逆變器相位電流之間的關(guān)系。
圖 8：WLTP 駕駛循環(huán)中的逆變器電流波形
如果我們采用上圖并將顯示的電流與轉(zhuǎn)換功率損耗相關(guān)聯(lián)，可以看到，在 WLTP 駕駛循環(huán)中，開關(guān)損耗遠(yuǎn)高于傳導(dǎo)損耗（而二極管損耗可以忽略不計(jì)）。參加下方的圖 9。
圖 9. WLTP 循環(huán)中的逆變器功率損耗
采用同樣的 WLTP 駕駛循環(huán)并將其轉(zhuǎn)化為結(jié)溫，可使設(shè)計(jì)人員了解散熱要求，甚至可以對(duì)可靠性和產(chǎn)品壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。
從該 WLTP 駕駛循環(huán)仿真中還可以得出，由于選擇了外部柵極電阻而導(dǎo)致的開關(guān)能量損耗隨時(shí)間變化的比較。較低的 RG(EXT) 值（加上高回路寄生電感）可能會(huì)導(dǎo)致電壓過(guò)沖，dv/dt 和 di/dt 值較高。這可能導(dǎo)致模塊故障，甚至可能使電機(jī)繞組分層。但是，選擇較低的 RG(EXT) 可以降低整個(gè)駕駛循環(huán)中的總能量損耗，從而為客戶節(jié)省成本，延遲電池續(xù)航時(shí)間。這是另一個(gè)例子，說(shuō)明了如何理解駕駛循環(huán)并在前期仿真，有助于指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員選擇器件/組件，優(yōu)化逆變器設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到客戶的利益。
#4 總結(jié)
總之，不僅要仿真底層子系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)配置，還要仿真應(yīng)用（駕駛循環(huán)），因?yàn)檫@有助于建立對(duì)系統(tǒng)實(shí)際使用的核心理解。優(yōu)化模塊（比如 EAB450M12XM3）和逆變器，以利用基于 SiC 的優(yōu)勢(shì)，如效率、開關(guān)速度/損耗和整個(gè)駕駛循環(huán)的熱特性，可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。Wolfspeed 的雙逆變器應(yīng)用和評(píng)估套件有助于設(shè)計(jì)人員更快地進(jìn)入市場(chǎng)，且信心滿滿。
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