工程师需要尽可能获得的所有帮助来快速开发新的电力驱动器
。差异不仅仅体现在尺寸
、形状和重量限制方面

。功能和电气安全要求以及环境条件在很大程度上取决于应用和地理市场

。另一方面，所有制造商之间的竞争形势要求快速上市。

　　就性能和可靠性而言，碳化硅 (SIC) 是首选的功率半导体技术。虽然里程焦虑是导致乘用车市场从硅转向更节能的碳化硅的问题之一，但公共汽车等车辆在已知路线上运行
，而越野车的行驶距离相对较短。对于这些应用，SiC 的高压功能可以实现更快的充电，从而缩短周转时间，并且其在高温下运行的能力有助于最大限度地提高可靠性
。此外
，模块需要更少的 SiC 器件来分担责任，而且 SiC MOSFET 的击穿电压比硅器件更小。因此
，也可以节省模块尺寸
。

图1：高压碳化硅逆变器

　　然而
，SiC 功率器件并不能直接替代硅 MOSFET 或 IGBT
。安排适当的栅极控制以确保高频下快速、平稳的开关转换并不简单。进一步的挑战包括集成硬件组件，特别是逆变器和智能功率模块，以及设置和校准电机控制软件。

　　加速发展

　　为了帮助克服开发挑战并加快稳健可靠的SiC 功率模块的上市时间(图 1)，Cissoid 开发了 SiC 牵引逆变器平台和参考设计。驱动器制造商可以利用它来构建能够在高达 850V 的电池电压下运行的系统。该硬件是模块化且可扩展的

，可产生各种额定功率的设计。

　　该参考设计解决了逆变器中众所周知的困难和耗时的问题。核心组件包括三相 1200 V 智能功率模块 (IPM)
，该模块已与针对 SiC 应用优化的栅极驱动器集成，并可承受高温(图 2)。该驱动器可提供超过 10 A 的峰值栅极电流，并可在高达 125°C 的环境温度下运行。

图2
：智能功率模块（IPM）

　　由于SiC 栅极驱动器已与电源模块集成，因此用户可以使用已经过验证和优化的解决方案来启动他们的项目
，该解决方案可实现快速开关速度和低损耗，不受高 dI/dt 和 dV/dt 影响，并且包含对功率级的强大保护。因此，微调模块性能和确保适当的热管理所需的迭代次数显着减少。参考设计中的其他硬件包括直流电流和相电流传感器、EMI 滤波、紧凑型液体冷却器和高密度直流母线电容器

。直流母线电容器专为逆变器平台开发，涵盖各种电压和电流选项
。

　　软件控制和校准

　　为了完成参考设计
，还有一个带有专用处理器和软件的电机控制板
，已通过 ISO 26262 标准 ASIL D 级预先认证，以实现功能安全。电机控制软件允许在不影响功能安全认证的情况下进行广泛的调整
，从而可以根据最终使用案例的需要灵活地优化电机行为

。用户可以在此基础上运行他们的定制应用软件。

　　该控制板围绕 Silicon Mobility OLEA T222 现场可编程控制单元 (FPCU) 设计。这种方法允许参考设计将传统处理器基于软件的灵活性与硬件加速相结合，以确保实时性能达到所需的最高电机速度
。通过包含控制板
，该参考设计还可以帮助用户避免将控制板和智能功率模块组合在一起时常见的机械和电气集成挑战

。

　　OLEA App Inverter 是一款灵活且完全可定制的控制软件(图 3)，由于可以离线或实时修改配置和校准参数，因此可以匹配任何电动动力总成配置和功率范围。该软件还具有调试和校准框架，包括图形界面
。

图3

　　使用 OLEA Composer，开发人员可以缩短优化电机控制软件所需的时间。

　　碳化硅逆变器性能

　　参数设置完毕后
，即可对电机进行测试，并绘制出逆变器-电机组合的效率。图 4a 和 4b 比较了基于 SiC 的逆变器与在类似实际条件下测试的硅 IGBT 逆变器的性能
。

图4

图5

　　设置和校准驱动器

　　OLEA Composer 工具套件可帮助用户根据客户的规格使电机旋转。它有助于对电压
、额定功率
、速度和扭矩等参数进行校准
，以达到最佳工作范围。一旦完成，就可以绘制逆变器电机效率图。

　　设置和校准分四个步骤完成
：

　　第一步
：软件参数配置

　　根据电机参数配置 OLEA App Inverter 软件。

　　第 2 步
：逆变器硬件设置

　　电机的设置，包括旋转变压器和温度传感器等组件
。EV 电子控制单元 (ECU) 和工作台(例如 CAN、安全)接口、电源和冷却接口的连接。

　　使用测试台检查逆变器安全接口。

　　步骤 3
：电机控制系统校准

　　开环模式：通过 OLEA T222 FPCU 校准电流和电压传感器信号调理链

。

　　部分开环模式：使用旋转变压器或电感式传感器进行位置传感器偏移校准。

　　电流闭环模式
：内部 PI 控制器调整 ID 和 IQ 矢量以实现磁场定向控制 (FOC)。

　　扭矩控制模式

：微调扭矩控制环以实现精度和动态响应。

　　速度闭环模式
：速度调节器标定

。

　　第 4 步：高级系统优化

　　开关频率缩放：根据速度和相电流调整开关频率。

　　死区补偿：调整死区补偿算法以最小化相电流谐波。

　　弱磁：ID/IQ 设定点优化，可在最大每电压扭矩 (MTPV) 区域实现高效运行。

　　SVPWM/DPWM：定义空间矢量脉宽调制(SVPWM)和不连续脉宽调制(DPWM)之间的阈值，在高速下提供更高的效率
。

　　使用这种方法可以调整参考设计，以实现高于 99% 的效率，在高达 4000 rpm 的 700 V 总线上运行，如下图所示：

图6

　　这些性能图显示了基于 SiC 的驱动器的更高效率如何确保卓越的用户体验。随着速度和负载需求的增加，当使用基于 IGBT 的驱动器运行时

，由于效率较低，电机扭矩会显着降低;如果不大幅增加冷却，则与设备中的能量损失相关的自热无法消散。相比之下，基于 SiC 的高效驱动器可以在更宽的速度和负载范围内提供更接近最大的扭矩。

　　推动电气化超越汽车

　　公共汽车、卡车和农用车辆行业为电气化和减少环境排放负担提供了良好的机会
。与硅 IGBT 或 MOSFET相比，碳化硅功率技术有助于最大限度地提高可靠性和车辆占空比
，并提供卓越的效率。

总而言之
，SiC 设计的复杂性以及确保快速上市的必要性需要灵活的开发平台来帮助设计人员满足各种车辆类别和类型的目标。完整的参考设计可为使用 SiC 进行设计时的主要挑战提供解决方案，同时还具有灵活性和可扩展性
，可应对不同的额定功率和电池电压
，以处理小型到大型车辆，有效地最大限度地降低设计风险
，并有助于加快上市时间。