【導讀】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 Si 與 IGBT 等更傳統(tǒng)的技術,具有更高的效率和可靠性。要想獲得最大的系統(tǒng)效率并且準確的預測性能,必須仿真這些由 SiC 組成的拓撲、系統(tǒng)和應用。
Wolfspeed EAB450M12XM3 是一款車規(guī)級 SiC 功率模塊,已針對牽引逆變器市場進行了優(yōu)化。這款功率模塊具備很多優(yōu)點,但設計人員還是要盡可能多的進行系統(tǒng)仿真,以充分利用這些優(yōu)點。在仿真電動汽車應用的牽引逆變器時,設計人員必須在復雜性、準確性和仿真時間之間找到一個平衡。本文將探討如何開發(fā)一個適合仿真汽車駕駛循環(huán)中逆變器的模型,在這些應用中可以利用 SiC 的優(yōu)勢。
#1 器件級和模塊級性能
仿真 SiC 牽引逆變器的方法有很多,但我們將其分為四個級別:
1. 仿真半導體組件本身(器件級)是成功預測系統(tǒng)性能的核心所在。
2. 仿真器件的裝配或封裝(模塊級)能預測電,熱和機械性能。
3. 仿真每個子系統(tǒng)(系統(tǒng)級)將整個駕駛循環(huán)映射到電氣要求中。
4. 仿真實際應用的系統(tǒng)(應用級)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)提供了許多器件級和模塊級功能,可減少開關損耗,同時提供溫度反饋和電壓傳感/過電流檢測等功能。與行業(yè)標準封裝相比,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 1200 V,450 A 全 SiC 導通優(yōu)化型半橋模塊
EAB450M12XM3 不僅提供了高性能,屬于 Wolfspeed 的車規(guī)級部件,而且針對汽車應用進行了優(yōu)化及驗證。此外,選擇 Wolfspeed 器件對設計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 中進行完整的駕駛循環(huán)分析。
4. 能夠仿真逆變器性能對電動汽車續(xù)航里程和電池成本的影響。
Lucid Air 的 XM3 牽引驅(qū)動(如圖 2 所示,該驅(qū)動采用了 EAB450M12XM3)已經(jīng)實現(xiàn) 74 kg 的重量、超過 670 hp 的功率,以及超過 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(2022 年)。
最后,600 kW XM3 雙逆變器參考平臺(圖 2)可幫助設計人員快速且從容地設計傳動系統(tǒng)原型。該參考平臺在整個功率范圍 (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(左)和 Wolfspeed 的 XM3 雙逆變器(右)
#2 系統(tǒng)級仿真和工具
Wolfspeed 使用三種主要工具來仿真功率模塊: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)換和負載。除了電子域外,它還能幫助建模物理域,例如熱、磁和機械,提供全面的系統(tǒng)級評估。它有助于器件的選擇,盡管具備多種實用功能,但可能過分簡化了某些方面,例如器件的開關狀態(tài)。對于逆變器應用,PLECS 可以使用數(shù)據(jù)表中的參數(shù)進行建模來確定導通和開關損耗,同時還提供結(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,可用于評估模擬電路中的電性能。通過仿真并聯(lián)器件之間的動態(tài)電流,幫助優(yōu)化電流不平衡,有助于逆變器的應用。此外,SPICE 還支持 Monte Carlo 仿真和 EMC 分析。雖然它是一個標準平臺,有許多可能的用例,但可能受到電路的影響(例如柵極驅(qū)動特性和寄生效應),并導致設計人員使用誤導性參數(shù)從而走上錯誤的設計道路。
圖 4:FEA 仿真示例,EAB450M12XM3 熱分析
Finite Element Analysis(FEA)用于將一個形狀或結(jié)構分解為許多更小的元素,這些元素會受到與現(xiàn)實世界力量有關的計算,如熱、振動、應力/應變以及其他環(huán)境和物理影響。在模塊級上,它可以使設計人員估計 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,它通常價格很高(成本方面),需要非常詳細的輸入和 CAD 模型。與 PLECS 和 SPICE 相比,它的仿真時間也是最長的。
使用任何或所有這些仿真平臺可以幫助優(yōu)化效率、損耗和熱管理。例如,對 SiC 半橋模塊的開關特性進行仿真有助于預測開關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))計算功率損耗和開/關能量。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,對半橋的熱特性進行建模。在對負載和控制器進行建模后,設計人員就可以進行完整的系統(tǒng)設計,以幫助優(yōu)化器件選擇、拓撲、熱管理、效率和控制方法。圖 5 顯示了完整系統(tǒng)級仿真的一般流程。對于駕駛循環(huán)仿真,負載模型是關鍵部分。在該仿真中,負載為遵循駕駛循環(huán)曲線的電流源。
圖 5:全系統(tǒng)仿真,包括電氣、熱、負載和控制器
為了構建此類系統(tǒng)模型,必須通過測試或數(shù)據(jù)表了解功率模塊的特性。在此,Wolfspeed 為其整個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,就可以使用它們進行完整的車輛仿真,包括在適當?shù)碾姎獠僮鳁l件下開展全球統(tǒng)一輕型車輛測試程序(WLTP)駕駛循環(huán)測試。
#3 逆變器性能和駕駛循環(huán)仿真
在這一點上,我們已經(jīng)討論了四個仿真架構中的三個:器件、模塊和系統(tǒng)級別。這些都是建立對駕駛循環(huán)中系統(tǒng)級功能的核心理解和期望所必需的。雖然電氣操作點、熱/電特性、損耗計算和模型可以在 Wolfspeed 方面處理,但全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(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。
圖 6:WLTC 圖
讓我們來分析一下 WLTP,了解它如何影響底層電子器件。
平均 WLTP 條件下,通常 95% 的能量損耗是開關損耗。這通常會推動車輛續(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遇到 30 秒都接近峰值電流工況,但可能會導致 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 概況及其對系統(tǒng)電流的要求有助于設計人員計算損耗并優(yōu)化系統(tǒng)配置。圖 7 顯示了模塊中較低的電流如何驅(qū)動開關損耗,而較高的電流則以傳導損耗為主。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)換功率損耗相關聯(lián),可以看到,在 WLTP 駕駛循環(huán)中,開關損耗遠高于傳導損耗(而二極管損耗可以忽略不計)。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,可使設計人員了解散熱要求,甚至可以對可靠性和產(chǎn)品壽命進行預測。
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致的開關能量損耗隨時間變化的比較。較低的 RG(EXT) 值(加上高回路寄生電感)可能會導致電壓過沖,dv/dt 和 di/dt 值較高。這可能導致模塊故障,甚至可能使電機繞組分層。但是,選擇較低的 RG(EXT) 可以降低整個駕駛循環(huán)中的總能量損耗,從而為客戶節(jié)省成本,延遲電池續(xù)航時間。這是另一個例子,說明了如何理解駕駛循環(huán)并在前期仿真,有助于指導設計人員選擇器件/組件,優(yōu)化逆變器設計,同時考慮到客戶的利益。
#4 總結(jié)
總之,不僅要仿真底層子系統(tǒng)和系統(tǒng)級配置,還要仿真應用(駕駛循環(huán)),因為這有助于建立對系統(tǒng)實際使用的核心理解。優(yōu)化模塊(比如 EAB450M12XM3)和逆變器,以利用基于 SiC 的優(yōu)勢,如效率、開關速度/損耗和整個駕駛循環(huán)的熱特性,可以延長產(chǎn)品的使用壽命。Wolfspeed 的雙逆變器應用和評估套件有助于設計人員更快地進入市場,且信心滿滿。
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https://www.wolfspeed.com/knowledge-center/article/optimizing-drive-cycle-simulations-for-automotive-applications/
來源:Wolfspeed
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