新能源汽車功率器件損耗特性和效率分析

陳明文，張 浩，王 亮Chen Mingwen，Zhang Hao，Wang Liang

新能源汽車功率器件損耗特性和效率分析

陳明文，張 浩，王 亮
Chen Mingwen，Zhang Hao，Wang Liang

（比亞迪汽車工業有限公司，廣東 深圳 518118）

面對新能源汽車的續駛里程焦慮，優化電控系統效率是有效解決方案之一。作為電控系統的核心部件，功率器件的損耗計算和優化設計對提升電控系統效率具有重要意義。首先對兩種主流功率器件Si IGBT和SiC MOSFET的結構和材料性能進行分析，然后針對各自工作特性，給出對應的損耗計算方法；同時選取典型工況結合實際運行情況，分析兩種功率器件的損耗和效率。

功率器件；損耗計算；工況；效率

0 引 言

新能源汽車損耗關系著消費者的使用成本，是確定電池容量的關鍵指標，也是影響續駛里程的關鍵參數[1-2]。驅動系統中電機控制器損耗主要由逆變電路中功率器件的發熱損耗構成，降低功率器件損耗是提升電控效率的關鍵技術。采用第3代半導體SiC（碳化硅）作為襯底材料的功率器件可以顯著降低損耗，提升耐溫可靠性，已應用在多款新能源車型上[3-4]。

本文首先分析目前主流的Si（硅）襯底IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）和SiC襯底MOSFET（Metal Oxide Semicon ductor Field Effect Transistor，金屬氧化物場效應晶體管）二者的材料和結構差異，然后闡述了器件損耗的計算方法和原理。之后評估Si和SiC兩種功率器件在相同額定工況下的損耗和效率，選取NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環）工況并結合整車實際負載進行分析。

1 性能對比

目前，新能源汽車電機控制器的最基本功能是直流–交流變換，其拓撲結構如圖1所示，典型的三相全橋逆變電路。圖1框中為1個開關單元，在實際應用中每個單元可由數個芯片并聯組成。在電機控制應用上，主流功率器件是IGBT和MOSFET，二者的頻率、損耗及開關速度等均滿足應用要求。

圖1 直流-交流變換電路

圖2為兩種主流功率器件結構，二者均為立體垂直結構，正面均為MOS（Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體）結構，因此，二者的功能與驅動方法基本相同，MOS開通時電流均由背面焊接層進入，由正面流出。二者也存在差異，IGBT背面注入P型摻雜，形成PIN結構，使其具有電導調制效應，大幅降低了體電阻導通壓降，從而降低導通損耗，但背注結構同時降低了開關速度，增大了開關損耗[5]。相同工藝條件下，IGBT與MOSFET的特性對比見表1。

表1 相同工藝IGBT和MOSFET特性對比

在目前Si基功率器件工藝制備水平及工程應用中，當最高耐壓要求小于600 V時多使用MOSFET器件，超過600 V時多使用IGBT器件。對于新能源汽車，當電池最高電壓高于400 V時，IGBT作為高壓開關器件是綜合性能更優的選擇。

隨著新能源汽車向800 V電壓平臺升級，Si基功率器件無法滿足高可靠性的運行要求，以SiC為代表的第3代半導體功率器件應運而生。SiC相比Si材料，在高耐壓、高頻率及高耐熱性能等方面均占優勢，二者基本性能對比如圖3[6]所示。

圖3 SiC和Si材料基本性能對比

SiC功率器件的主要優勢是：

（1）擊穿電壓更高，SiC材料的臨界擊穿電場約為Si材料10倍，則同樣外延層厚度和摻雜濃度下，前者的阻斷能力更高；

（2）比導通電阻更低，SiC材料的臨界擊穿電場較高，在同等級別耐壓下，SiC器件的摻雜濃度可以更高，外延層厚度可以非常薄，減薄襯底后可以獲得更低的導通電阻[7]；

（3）工作頻率更高，SiC的飽和電子漂移速度較高（Si的2倍）、介電常數較低，則SiC器件可以工作在更高頻率下，在大功率應用中可以比Si功率器件具有更優異的高速工作性能；

（4）耐溫更高，SiC的高熱導率和高熔點使其具有更加優良的導熱性能和耐溫性能；目前商用SiC器件的使用結溫可達200 ℃，而Si器件為175 ℃，使用上限溫度顯著提高。

結合實際工藝，3 000 V以下采用SiC制備MOSFET器件也可以獲得很低的導通損耗，并且疊加MOSFET超低的開關損耗和高結溫特性，使SiC MOSFET比Si IGBT適用范圍更廣，可應用在Si IGBT不能使用的高溫、高頻環境，顯著提高功率密度，也更符合新能源汽車電機控制器高功率密度、小型化的發展方向。因此，本文從器件損耗計算原理的角度出發，綜合對比分析Si IGBT和SiC MOSFET在相同額定工況下的損耗和效率，同時結合整車工況分析兩種器件的應用優勢。

2 功率器件的損耗組成

功率器件一般由開關器件和二極管組成，Si IGBT模塊由IGBT器件和二極管并聯組成，SiC MOS模塊由MOSFET器件和二極管并聯組成。開關器件和二極管的損耗主要包括導通損耗和開關損耗，其中開關損耗是由電壓和電流的變化引起，開關損耗包括開通損耗和關斷損耗[8]，損耗組成如圖4所示。

2) 通過打通行業內各業務系統的數據孤島，利用大數據技術對各業務組成的海量數據進行采集、清洗和建模分析，通過不同業務數據間的關聯，使數據產生更大的價值，為高速公路管理及其他行業提供可靠的輔助決策依據。

圖4 功率模塊損耗組成

當開關頻率較低時，功率器件損耗主要為導通損耗，當開關頻率較高時，損耗主要為開關損耗。損耗一方面影響系統效率，另一方面會產生熱量，引起過高的溫升，對器件可靠性產生不利影響。損耗分析對系統設計、散熱設計、壽命預測及系統可靠性具有重要作用。

2.1 導通損耗

功率器件在通態下，由于本身存在一定的通態電阻，當有電流流過時，電阻兩端會產生導通壓降，流過器件的電流與導通壓降乘積即為導通損耗。功率模塊開關瞬態的電壓電流如圖5所示，其中0為導通電流增至10%時刻，1為導通電壓降至2%時刻，2為導通電壓增至10%時刻，3為導通電流降至2%時刻，u和i分別為某一時刻的電壓和電流。

圖5 功率模塊開關瞬態電壓、電流波形

其中1～2為導通狀態，假設1～2內功率器件端電壓為()，電流為()，二極管導通壓降為F()，則功率器件的導通損耗ssP為

根據壓降與電流導通電阻on的關系，式（1）可表示為

二極管在1～2內的導通損耗ssD為

2.2 開關損耗

在第3代寬禁帶半導體材料不斷擴大應用的背景下，功率器件逐步向高頻化發展，開關損耗對整個系統效率的影響越來越重要。功率器件的開關損耗來源于開關的瞬態過程，器件兩端的電壓和流過器件的電流存在交疊時間。以IGBT為例來分析其開通和關斷時電壓、電流波形，IGBT開通時端電壓和流過電流的波形大致如圖5所示，圖5中左側為開通過程。

從圖5可以看出，0～1內電壓和電流不同時為0，因此會產生開通損耗on，即

IGBT關斷時端電壓和流過電流的波形大致如圖5所示，圖5中右側為關斷過程?？梢钥闯?，2～3內電壓和電流不同時為0，因此會產生關斷損耗off，即

3 整車電控損耗

3.1 計算方法

電控損耗主要包括功率器件損耗、直流電容損耗和銅排損耗，功率器件損耗占比最大（>50%），后續對比分析中，假設直流電容損耗和銅排損耗不變。調制方式采用SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation，空間電壓矢量調制）。在三相靜止坐標系下，三相兩電平逆變器的交流側三相電壓A()、B()、C()為3個幅值相等、相位互差120°的正弦值，假定電壓的基波峰值為m，進行矢量求和可得三相電壓空間矢量S為

式中：()為某一時刻下空間矢量S與主矢量的夾角，如圖6所示。

三相兩電平逆變器共有8種開關狀態（000～111），根據當前的期望電壓空間矢量（參考電壓矢量），判斷其所處扇區位置，通過兩個非零基本電壓矢量進行合成。

注：V0～V7為基本空間電壓矢量，其中V0、V7為零矢量。

3.2 SiC功率器件的優勢

基于某款車型數據手冊對Si IGBT和SiC MOSFET兩種功率器件的損耗進行對比。額定工作條件下，前者在導通壓降、開關損耗等方面顯著優于后者，二者損耗對比如圖7所示，后者具有更短的開關時間，所以其開關損耗顯著降低。

圖7 Si IGBT和SiC MOSFET器件損耗分布

計算得到Si IGBT、SiC MOSFET單橋臂的總損耗，如圖8所示。前者在整個工作區間內損耗隨相電流變化近似線性；后者在工作電流低于180 A時損耗增加速度較為平緩，當工作電流超過180 A時損耗增加速度逐漸變大；因此，當前工作條件下后者損耗明顯低于前者，優勢明顯。

圖8 Si IGBT和SiC MOSFET模塊總損耗與相電流I之間的關系

3.3 整車工況損耗和效率

為了更好地評估Si IGBT和SiC MOSFET功率器件在實際應用中的性能，選取NEDC工況計算二者的損耗和效率，見表2。后者較前者的百公里損耗降低了71%（（1.38－0.40）/1.38×100%=71%），且后者較前者的電控平均效率有所提升。電控平均效率為整個工況中各點電控輸出功率之和與各點輸入功率之和的比值，其值可由損耗仿真直接得到。

表2 不同功率器件損耗和效率對比

考慮到工作電流對電控損耗有較大影響，對NEDC工況下電控輸出電流分布進行統計，如圖9（a）所示，其中90 A以下電流工況占比為94%，30 A以下電流占比超過50%。由圖8可知，SiC MOSFET器件在小電流（<150 A）時能效優勢更顯著。實際應用中，整車工況大致分為輕載和重載兩種，前者指整車在小功率（電流）下運行，如一般城市工況；后者指整車在大功率（電流）下運行，如加速、爬坡工況等。通過大數據分析得到整車不同工況的比例分布，如圖9（b）所示，其中輕載比例超過90%，即整車大部分時間工作在電流150 A以下。因此，在整車的整個生命周期內，采用SiC MOSFET功率器件更為高效。

圖9 NEDC工況電控相電流分布和整車負載分布

4 結 論

本文對比分析了Si IGBT和SiC MOSFET兩種器件的結構和特性，二者正面均為MOS結構，但前者背面P型摻雜形成的PIN結構使其具有電導調制效應，降低了導通損耗，但增大了開關損耗。SiC功率器件具有高臨界擊穿場強、高飽和電子漂移速度、高熱導率和高熔點等優點，可以滿足新能源汽車對電控高功率密度、小型化的需求。

對比了兩種典型功率器件的損耗，Si IGBT的損耗明顯高于SiC MOSFET，在NEDC工況下，后者較前者損耗降低71%、電控效率也有提升。整車實際運行工況下輕載（電流<150 A）比例大于90%，此時SiC MOSFET電機控制器效率更優，可以增加新能源汽車的續駛里程，在系統成本可控條件下，采用SiC MOSFET功率器件是汽車行業的發展趨勢。

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2022-10-08

1002-4581（2023）01-0014-05

U469.72+2.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.004