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Automotive

優化汽車應用的駕駛循環模擬

Oct 12, 2022
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碳化矽(SiC)已經改變了許多行業的電力傳輸,尤其是電動汽車(EV)充電和車載功率轉換部分。由於 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 等更傳統的技術,具有更高的效率和可靠性。要想獲得最大的系統效率並且準確的預測性能,必須模擬這些由 SiC 組成的拓撲、系統和應用。

Wolfspeed EAB450M12XM3 是一款車規級 SiC 功率模組,已針對牽引逆變器市場進行了優化。這款功率模組具備很多優點,但設計人員還是要盡可能多的進行系統模擬,以充分利用這些優點。在模擬電動汽車應用的牽引逆變器時,設計人員必須在複雜性、準確性和模擬時間之間找到一個平衡。本文將探討如何開發一個適合模擬汽車駕駛循環中逆變器的模型,在這些應用中可以利用 SiC 的優勢。

元件級和模組層級性能

模擬 SiC 牽引逆變器的方法有很多,但我們將其分為四個級別:

  1. 模擬半導體元件本身(元件級)是成功預測系統性能的核心所在。
  2. 模擬元件的裝配或封裝(模組層級)能預測電,熱和機械性能。
  3. 模擬每個子系統(系統級)將整個駕駛循環映射到電氣要求中。
  4. 模擬實際應用的系統(應用級)可以瞭解特定用例(例如駕駛循環)中的性能。

EAB450M12XM3(如圖 1 所示)提供了許多元件級和模組層級功能,可減少開關損耗,同時提供溫度回饋和電壓感測/過電流檢測等功能。與工業標準封裝相比,該元件還具有易於集成的尺寸、優化的熱管理、低寄生電感(6.7 nH)和低感量母線互連,以及更高的功率密度(體積減小 60%,尺寸縮小 55%)。

Product shot of Wolfspeed's XM3 Half-bridge SiC power module package
Figure 1. EAB450M12XM3 automotive qualified 1200 V, 450 A all-Silicon Carbide conduction-optimized, half-bridge module by Wolfspeed®.

EAB450M12XM3 不僅提供了高性能,屬於 Wolfspeed 的車規級部件,而且針對汽車應用進行了優化及驗證。此外,選擇 Wolfspeed 元件對設計人員還有一些其他的好處:

  1. 我們提供完整的電子元件模擬模型。
  2. 能夠使用熱分析創建平均模型。
  3. 能夠在 PLECS 中進行完整的駕駛循環分析。
  4. 能夠模擬逆變器性能對電動汽車續航里程和電池成本的影響。

Lucid Air 的 XM3 牽引驅動(如圖 2 所示,該驅動採用了 EAB450M12XM3)已經實現 74 kg 的重量、超過 670 hp 的功率,以及超過 9 hp/kg 的功率密度。這些規格使得 Lucid Air 榮獲 MotorTrend 年度汽車大獎(2022 年)。

最後,600 kW XM3 雙逆變器參考設計平台(圖 2)可幫助設計人員快速且從容地設計傳動系統原型。該參考設計平台在整個功率範圍 (200 - 600 kW)中提供主要的功率密度和效率。

A close up shot of the XM3 traction drive from Lucid Air.
A line up of various Wolfspeed XM3 and other devices.

Figure 2. Lucid Air’s XM3 traction drive (left) and Wolfspeed’s  XM3 dual inverter reference platform (right). 

系統級模擬和工具

Wolfspeed 使用三種主要工具來模擬功率模組:PLECS、SPICE 和 FEA。

Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation (PLECS) 允許建模和模擬完整的電力電子系統,包括電源、轉換和負載。除了電子信號,它還能協助物理層面的建模,例如熱、磁和機械,提供全面的系統級評估。它有助於元件的選擇,儘管具備多種實用功能,但可能過分簡化了某些方面,例如元件的開關狀態。對於逆變器應用,PLECS 可以使用數據表中的參數進行建模來確定導通和開關損耗,同時還提供結殼熱阻的熱模型(參見圖 3)。

A diagram of the thermal model.
Figure 3. Example of PLECS model for loss and thermal simulation.

Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(SPICE)是一種常用的開源電路模擬器,可用於評估類比電路中的電性能。通過模擬並聯元件之間的動態電流,説明優化電流不平衡,有助於逆變器的應用。此外,SPICE 還支持 Monte Carlo 模擬和 EMC 分析。雖然它是一個有許多可能性的範例標準平台,但可能受到電路的影響(例如柵極驅動特性和寄生效應),並導致設計人員使用誤導性參數從而走上錯誤的設計道路。

Thermal analysis against a light gray metal plate background.
Figure 4. Example of FEA Simulation, EAB450M12XM3 Thermal Analysis.

Finite Element Analysis(FEA)用於將一個形狀或結構分解為許多更小的元素,這些元素會受到與現實世界力量有關的計算,如熱、振動、應力/應變以及其他環境和物理影響。在模組層級上,它可以使設計人員估計 RTH、寄生電感、載流量,並確定晶片間的相互作用(參見圖 4)。但是,它通常價格很高(成本方面),需要非常詳細的信息輸入和 CAD 模型。與 PLECS 和 SPICE 相比,它的模擬時間也是最長的。

使用任何或所有這些模擬平台可以幫助優化效率、損耗和熱管理。例如,對 SiC 半橋模組的開關特性進行模擬有助於預測開關電壓波形並確定漣波。可以使用 2D 和 3D 查閱資料表(使用 VDC、IAM1、T和 RG 等參數)計算功率損耗和開/關能量。PLECS 還可以將這些模擬的功率損耗插入帶有其他一些參數(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後,設計人員就可以進行完整的系統設計,以説明優化元件選擇、拓撲、熱管理、效率和控制方法。圖 5 顯示了完整系統級模擬的一般流程。對於駕駛循環模擬,負載模型是關鍵部分。在該模擬中,負載為一電流源並遵循駕駛循環曲線。

A series of diagrams, from top left, to bottom right: electrical model, load model, thermal model, and controller.
Figure 5. Full-system simulation with electrical, thermal, load, and controller.

為了構建此類系統模型,必須通過測試或數據表瞭解功率模組的特性。在此,Wolfspeed 為其整個功率模組提供可下載的 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模擬,包括在適當的電氣操作條件下開展全球統一輕型車輛測試程式(WLTP)駕駛循環測試。

逆變器性能和駕駛循環模擬

在這一點上,我們已經討論了四個模擬架構中的三個:元件、模組和系統級別。這些都是建立對駕駛循環中系統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,但全球統一輕型車輛測試循環(WLTC)(圖 6 所示的樣本圖)將規定扭矩、速度、加速度以及這些參數的操作點。

Line chart with an x-axis of Time (min) and y-axis of Speed (km/hr). Line chart id divided into four sections, left to right: low speed, medium speed, high speed and extra high speed.
Figure 6. WLTC plot.

讓我們來分析一下 WLTP,瞭解它如何影響底層電子元件。

平均 WLTP 條件下,通常 95% 的能量損耗是開關損耗。這會是可以改善車輛續航里程的原因,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到 30 秒都接近峰值電流狀況,但可能會導致 SiC 區域需要散熱處理,從而增加逆變器成本、體積並降低效率。

瞭解 WLTP 概況及其對系統電流的要求有助於設計人員計算損耗並優化系統組態。圖 7 顯示了模組中於較低的電流時以開關損耗為主,而較高的電流時則以傳導損耗為主。圖中的另一張圖描述了模組結溫通常如何隨著電流而升高。

A simple line graph with its x-axis as junction temperature in Celcius and y-axis in currents (A).
A simple line graph with its x-axis as loss distribution (%) in Celcius and y-axis in currents.

Figure 7. Current vs. losses (left) and current vs. junction temperature (right) for a module.

圖 8 顯示了 WLTP 駕駛循環速度與逆變器相電流之間的關係。

Current output diagram divided into four different frequency ranges.
Figure 8. Inverter current waveform over WLTP drive cycle.

如果我們採用上圖並將顯示的電流與轉換功率損耗相關聯,可以看到,在 WLTP 駕駛循環中,開關損耗遠高於傳導損耗(而二極體損耗可以忽略不計)。參加下方的圖 9。

Diagram comparing converter power loss over WLTP. Legend include MOSFET switching loss, MOSFET conduction loss and diode loss.
Figure 9. Converter power loss over WLTP cycle.

採用同樣的 WLTP 駕駛循環並將其轉化為結溫,可使設計人員了解散熱要求,甚至可以對可靠性和產品壽命進行預測。

從該 WLTP 駕駛循環模擬中還可以得出,由於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(加上高迴路寄生電感)可能會導致電壓過沖,dv/dt 和 di/dt 值較高。這可能導致模組故障,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中的總能量損耗,從而為客戶節省成本,延遲電池續航時間。這是另一個例子,說明了如何理解駕駛循環並在前期模擬,有助於指導設計人員選擇元件,優化逆變器設計,同時考慮到客戶的利益。

總結

總之,不僅要模擬底層子系統和系統級配置,還要模擬應用(駕駛循環),因為這有助於建立對系統實際使用的核心理解。優化模組(如 EAB450M12XM3)和逆變器,以利用SiC 的優勢,如效率、開關速度/損耗和整個駕駛循環的熱特性,以延長產品的使用壽命。Wolfspeed 的雙逆變器應用和評估套件有助於設計人員更快地進入市場,且信心滿滿。

敬請瀏覽 wolfspeed.com/power-modules 瞭解更多資訊並訪問資料表、應用注釋和其他設計支援工具和資源。

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