电机控制器关键技术和发展趋势.pdf

（TMC）

1碳化硅技术

1.1碳化硅技术概况

逆变器技术主要以宽禁带半导体功率器件为核心，但是硅基IGBT

仍然是目前主流功率器件，技术发展潜力有限。

SiC器件具有低损耗、耐高频、耐高压高温、高效率等技术优势，

被视为理想器件。

实验证明，现阶段基于碳化硅器件的系统效率大概可以提升2%-

4%，且工况循环的寿命有所增加。

碳化硅适用于更高速的电机，开关频率提升，碳化硅器件功率密

度相对来说比较高，高压情况下会出更多的电流，可以提高功率

密度。

通过碳化硅的逆变器实现降低4%的能耗降低，对于电动四驱车

型，可以降低机械损失，或是感应电机的拖拽损失，通过碳化硅

技术有效的提升系统的效率。

碳化硅更适用的是中高压的应用和大功率的应用范围，GaN氮化

钾这种新技术在汽车领域还没有到大批量工程应用阶段，主要优

势是可以在低压下超高频的应用。

1.2碳化硅技术优势

搭载碳化硅逆变器的三合一系统，对于整车的贡献、对于电耗的

节省、对于实现相同里程的电池规格的降低，明显体现出碳化硅

的优势。

电池的成本降低对整车成本降低是具有非常重要的意义，另外可

以实现驱动系统的轻量化、减少冷却负荷。

碳化硅的成本是目前业内大家都要共同解决的问题，与此同时虽

然存在很多的不确定性，但是碳化硅元器件在未来的几年成本会

得到一定的优化，整个行业的量的规模是不断提升的。

第一，长续航里程。

第二，更高的功率密度。

第三，系统的性价比。

目前在混动车型上很少采用碳化硅的器件，普遍采用硅基比较多。

在长续航里程以及高端的电池装载量比较多的车型上，选择碳化

硅多一些，因为碳化硅可以带来综合续航里程的提升，碳化硅相

对而言成本价格贵一些，可以更好的达到系统平衡。

英飞凌和德国的一家车厂联合测试，做了一些仿真数据，验证了

未来碳化硅在高压情况下可以带来更多的损耗降低。

从逆变器的层面可以看到，能量损耗可以降低69%，整个效率提

升预计可以达到3%左右。

折算到公里的电耗，800V的碳化硅在相同功率上可以让能量损耗

降低7.6%，高压的情况下续航里程可以提升7%左右。

预计采用英飞凌下一代的碳化硅技术，可以达到续航里程10%的

提升。

1.3英飞凌碳化硅开发进展

现在遇到的瓶颈主要是碳化硅的成本相对来说比较高，四驱车后

驱采用碳化硅三合一的集成，前驱用硅基，在成本和性能上都达

到了互补，前驱做加速的时候用硅基，把硅基快速响应也可以应

用到，这两个是一个非常好的组合。

2019年英飞凌首先量产的是单管的产品，是OBC/DC-DC的应用，

目前包括大众碳化硅的二极管，包括国内很多领先车厂都在采用

碳化硅单管的器件。

英飞凌全球首款六合一的碳化硅模块，3毫欧和5毫欧的产品可以

增加电池的续航里程预计5%-10%，在800V情况下7%可以做到。

英飞凌第二代碳化硅已经逐渐面向市场，功率和形态会更加丰富。

碳化硅第二代的产品会覆盖1200V到750V两个电压范围。

同时也会增加双面水冷以及其他单管的封装形态。

2逆变器的高压化

800V三合一相对用400V比较，减重25%，效率的提升11%，更

多的是循环工况下，这点更多的会体现到最终用户日常的家庭体

验。

800V主要是用在大功率的碳化硅的解决方案，另外在高速电机上

会有用，主要面对的车型还是B级以上的车，基本上现在是在做

200kW以上用高压、高速，解决方案变化主要就是碳化硅加

MCU的算力更强。

在这个过程里面高压和高速带来的挑战有几个方面：一是高压带

来的绝缘的问题，第二是EMC的问题，第三，高速也会带来例如

轴电流的问题，轴承点蚀、齿轮点蚀的问题。

绝缘方面，要考虑很多在材料应用上的场景，对高压来说这方面

会更敏感，在铜排的设计、功率系统相互的连接上面会有一些困

难，重点是安全距离的设计，第二是材料选择包括装配过程的控

制。

很多绝缘技术的开发以及电磁兼容技术、轴电流电压的抑制、高

压安全等等要着重考虑。

高低压兼容的设计牺牲了一定的效率，曾经过测算，如果实现高

低压兼容，有一个功率密度是不超过2%的损失，主要是从低压

到高压的变化对设计产生的影响，至于说从高压兼容到低压有什

么技术难度，其实更多是设计的难度，不是兼容的难度。

3逆变器的技术路线

不断提升的整车功能的需求，以及新形势下域控制器软硬件的需

求，都对逆变器提出了更高的要求。

电机控制单元的方向和技术主要是在性能更强劲、功能更丰富，

同时动态响应、