车用大功率电力电子器件研究进展-科技导报.PDFVIP

科技导报2016，34（6） 车用大功率电力电子器件研究进展车用大功率电力电子器件研究进展 1 1 2 1 1 3 温旭辉 ，宁圃奇 ，孟金磊 ，张瑾 ，刘钧 ，孔亮 1. 中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室；北京电动车辆协同创新中心，北京 100190 2.ABB（中国）有限公司中国研究院，北京 100015 3. 大洋电机新动力科技有限公司，北京 100094 摘要摘要 车用电机驱动变流器是电动汽车电机驱动的关键部件，大功率电力电子器件是其核心。对比分析了国内外电动车辆用电 机驱动变流器的拓扑结构、变流器控制特点及体积功率密度等关键指标，指出车用电机驱动变流器的技术创新重点在于硅基绝 缘栅双极性晶体管（IGBT）芯片及封装技术持续改进碳化硅（SiC）器件的应用。综述了硅基IGBT芯片的演进和IGBT模块封装 技术的创新，介绍了碳化硅器件的技术特点。 关键词关键词 电动汽车；变流器；绝缘栅双极性晶体管；碳化硅器件 电动汽车分为由动力电池供能的纯电动汽车、由燃料电 3）车用变流器主要采用液体冷却，国内变流器的重量功 池供能的燃料电池电动汽车和由动力电池与燃油联合供能 率密度、体积功率密度在5~8（kW/kg、kW/L），以丰田等为代 的混合动力电动汽车。受使用环境、运行工况和经济性的约 表的国际一流汽车制造商必威体育精装版的车用变流器重量功率密度、 束，电动汽车车用电机驱动系统要求更高的动态性能、更高 体积功率密度约为中国相应产品的1倍； 的体积/重量密度、更高的极端环境适应性和更低的成本。因 4）中国车用电机驱动制造商主要选用600、1200V的标 此，具有效率高、功率密度高、功率因数高等显著优点的永磁 准封装IGBT，而丰田等跨国大公司开发定制化IGBT芯片和 电机及其控制技术，以及基于低损耗大功率IGBT模块的高 模块，是其车用变流器功率密度大的主要因素之一。 [1,2] 功率密度电力电子集成技术被车用电机驱动系统广泛采用 。 因此，围绕硅基IGBT以及碳化硅场效应晶体管（metal- 在电动汽车中，车用电机驱动系统由一个及以上的车用 oxide-semiconductorfield-effecttransistor，MOSFET）进一步提 变流器与电机构成。其中，车用变流器又分为功率主回路和 高车用变流器功率密度，是世界各国降低电机驱动系统重量 控制电路，功率主回路的体积和重量约占变流器的85%。在 及成本的研发重点。 影响车用变流器体积与重量的各部件中，大功率电力电子器 件所占的比重超过65%。表1对国内外不同类型、不同整备 1 高功率密度车用IGBT模块及其寿命预测 质量的电动汽车所采用的电机驱动系统特点、变流器特点以 1.1 IGBT芯片技术演进 及其大功率电力电子器件特点进行了对比分析，从中可看 包括通态损耗和开关损耗在内的IGBT损耗是影响IGBT 出： 模块运行效率和可靠性的重要因素。为降低IGBT通态损耗 1）电动汽车多采用永磁电机驱动系统，车用变流器多采 和开关损耗，IGBT芯片技术的演进过程主要经历了低掺杂/ 用两电平全桥逆变或者前置双向DC/DC的两电平全桥逆变 高掺杂工艺、集电极透明技术（缓冲层、穿通型IGBT）、平面 拓扑，采用SVPWM调制的硬开关将直流电转换为幅值可变、 栅/沟槽栅结构和场终止结构（fieldstop）技术，由第1代发展 频率可变的交流电驱动交流电机（包括永磁电机及交流异步 [4] 到了第6代（表2）。为满足高功率密度和高可靠性的应用 电机），从而灵活地控制整车的动力和速度；