800V係統用SiC還是IGBT

我之前一直以為Taycan用的是Delphi的SiC的器件,但是根據目前日立所AMS披露的,包括Taycan裏麵維修手冊所描述的情況來看,情況並不是這樣。

圖1 2020年後的電壓和功率係統

800V下的IGBT模塊

這份報告的原文為《High Voltage and High Power Density Technologies for Inverter in Vehicle》。

圖2 信息的發表來源

這裏最讓人驚訝的部分,就是Taycan是沿用了原有的IGBT模塊的,如下所示。日立AMS開發的逆變器改良了整體的絕緣設計,核心是在之前的基礎上改進了並推出了適用800V的功率模塊。新的功率模塊匹配800V係統,達到了94kVA/L的功率密度。係統電壓要從400V提高至800V,在功率模塊層麵主要需要提高耐電壓水平,通過優化模塊的封裝設計及使用的絕緣結構,避免了增加模塊的尺寸。功率模塊由兩個功率元件串聯而成,采用二合一封裝,IGBT及引線框架等元件均采用了轉印模具密封,並進一步封裝在鋁製模塊殼體中,采用雙麵冷卻。

圖3 日立的IGBT模塊

圖4 日立的雙麵冷卻技術從2015年左右進入成熟期

絕緣處理方麵,除了將絕緣體完全覆蓋在施加高電壓的電極上進行絕緣以外,還能通過設置絕緣距離進行絕緣,但需要同時確保空間距離與爬電距離。為了延長絕緣樹脂件的爬電距離,增加筋和槽,在總線端部設置倒角形狀。下圖樹脂絕緣部分的截麵圖,功率模塊的銅排被絕緣樹脂隔開,為了延長爬電距離,除了在垂直方向上增加樹脂的高度之外,還通過在絕緣樹脂與總線接觸的地方開缺口來保證爬電距離。

圖5 功率模塊的絕緣設計

功率模塊樹脂片對焊接了功率器件的引線框架和散熱片進行絕緣,樹脂片大量填充了負責向散熱片導熱的陶瓷填料,實現了薄膜化,保證了較高的散熱性能。但由於絕緣片與引線框架和散熱片粘合時產生的小空隙可能會導致介電強度下降,因此導體箔被層壓在絕緣片的內部。功率模塊使用的絕緣片內部疊有導體箔,防止局部放電。當施加到空隙的空氣層的電壓高於空氣的介電擊穿電壓時,就會發生局部放電,通過用導體箔對施加到絕緣片的電壓進行分壓來減小空隙的電場。利用導體箔、引線框架與散熱片之間的電位差分壓至上下兩層絕緣片,將導體箔的電位固定為中間電位,改善絕緣片的局部放電特性。

圖6 絕緣特性的設計

SiC的使用和路徑

在整理11kW交流充電機方麵,這裏的H橋電路部分,應該都是使用SiC器件來做的,包括保時捷自己後續采用的直流充電樁裏麵也采用了SiC模塊。

圖7 交流充電機的SiC使用

在《4E Power Electronic Conversion Technology Annex》一文中給出了一些SiC的使用路徑,可能可以參考。

小結:我之前一直以為Taycan是最早使用SiC全套的車型,從Taycan開始開發的時間到2019年量產,我們能看到保時捷的工程師對於驅動逆變器應用並不特別成熟的技術的猶豫,到2022年的PPE平台,會大量使用SiC技術。


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