在特斯拉投資者大會(huì)上,特斯拉表示下一代汽車平臺(tái)的動(dòng)力總成中將減少75%的碳化硅使用。特斯拉是第一個(gè)將SiC引入動(dòng)力總成中的。現(xiàn)在以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體剛剛開始登場(chǎng),中國企業(yè)做好了大舉進(jìn)入的準(zhǔn)備,剛要有點(diǎn)成績,特斯拉的表態(tài)把市場(chǎng)都震動(dòng)了。
馬斯克的“鴻圖大愿”經(jīng)常未達(dá)預(yù)期,不過在碳化硅這事上,已經(jīng)有一些比較明確的技術(shù)路線。Part 1
碳化硅在哪里使用?
特斯拉是全球第一個(gè)在電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成里面使用SiC的,是用在逆變器的功率模塊上。
由于汽車動(dòng)力電池的直流電需要轉(zhuǎn)換成三相交流電(U、V、W)才能為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電,提供這個(gè)從直流電到交流電轉(zhuǎn)換的是功率模塊的三相開關(guān)電路。在Model3之前,開關(guān)電路大多是用IGBT模塊組成。而Model 3 車型正是是首次應(yīng)用碳化硅(SiC)功率元器件的電動(dòng)車型,用的是來自意法半導(dǎo)體的650V SiC Mosfet。
功率元器件是通過PWM 脈沖寬度調(diào)制來進(jìn)行的,通過改變脈沖寬度和頻率,就可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速。
●當(dāng)PWM信號(hào)的脈沖寬度導(dǎo)通時(shí)間越長則電機(jī)輸出的扭矩越大
●PWM信號(hào)的頻率越高則電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。
特斯拉首次用的SiC,對(duì)于提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率有很大的幫助——特斯拉的能耗做得很出色,比大多數(shù)企業(yè)都要低5%左右,SiC功不可沒。直觀來看,就是實(shí)現(xiàn)相同的續(xù)航里程,特斯拉用到的電池度數(shù)更少。
但這次為什么特斯拉要減少SiC的使用呢?主要還是因?yàn)槌杀靖摺猄iC的成本是傳統(tǒng)IGBT的三、四倍。
Part 2
特斯拉逆變器的自主設(shè)計(jì)
特斯拉能降低SiC的使用,還要從特斯拉自主設(shè)計(jì)逆變器的能力說起。因?yàn)樘厮估茉玳_始自主設(shè)計(jì)逆變器,所以有這個(gè)技術(shù)儲(chǔ)備可以對(duì)其進(jìn)行深度改造。目前特斯拉已經(jīng)有三代自主研發(fā)的逆變器:
●第一代逆變器
特斯拉Roadster這個(gè)車型的動(dòng)力總成上用的PEM,采用的IGBT單管,標(biāo)準(zhǔn)的TO247封裝,每個(gè)開關(guān)由14片IGBT單管并聯(lián),一個(gè)逆變器總共使用了84片IGBT單管;后來還換用了供應(yīng)商,讓IR做定制的單管IGBT (600V 120A AUIRGPS4067D1),同樣采用14片并聯(lián)。
●第二代逆變器
用在 Model S的動(dòng)力總成上,仍然采用TO247封裝的IGBT (IKW75N60T),每個(gè)開關(guān)為16 個(gè)IGBT單管并聯(lián),共用了96片IGBT。
●第三代逆變器
Model 3和Y上用了全新一代的逆變器。除了選擇功率器件SiC,徹底改變了逆變器的整體設(shè)計(jì);特斯拉還與功率半導(dǎo)體廠商共同研發(fā)了新功率芯片,合作新封裝的開發(fā), 特斯拉定制的TPAK(Tesla Pack)模塊橫空出世。
在功率模塊上特斯拉采用并聯(lián)的技術(shù),圍繞多管并聯(lián),特斯拉可以根據(jù)其電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不同的功率等級(jí),選擇不同數(shù)量的TPAK并聯(lián),都在同一個(gè)封裝內(nèi),只需對(duì)外部電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行微小改動(dòng),就能滿足各種電動(dòng)汽車行駛要求,大大增加了設(shè)計(jì)靈活性。
逆變器的電路板上主要分為低壓電路和高壓電路。
●高壓域中的主要功能包括:
? 自研的功率半導(dǎo)體模塊;?
? 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器–連接MCU和功率半導(dǎo)體的器件,負(fù)責(zé)隔離高壓和低壓;
? 偏置電源 – 負(fù)責(zé)從低壓側(cè)獲取能量并向功率半導(dǎo)體生成柵極驅(qū)動(dòng)電壓
? 隔離式電壓和電流檢測(cè) – 負(fù)責(zé)檢測(cè)直流鏈路電壓和電機(jī)相電流,并確保向電機(jī)施加正確的扭矩
? 有源放電 – 負(fù)責(zé)將直流總線電容器電壓放電至安全電壓
●低壓電部分主要是整個(gè)逆變器的微控制器 (MCU) ,里面的軟件控制的生成脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào),來驅(qū)動(dòng)功率半導(dǎo)體。
MCU 的軟件進(jìn)行電流采樣和位置編碼采樣,在閉環(huán)中運(yùn)行感應(yīng)和速度控制。
MCU采集電機(jī)的狀態(tài)是通過旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)傳感器。
小結(jié):特斯拉可能的解決方案
基于現(xiàn)在的逆變器以及其中最重要的功率模塊和控制電路,特斯拉積累的自研能力,可以通過串聯(lián)SiC和IGBT來實(shí)現(xiàn)減少SIC的使用。我們還找了一些實(shí)際的技術(shù)進(jìn)展,可以預(yù)見到能綜合運(yùn)用了先進(jìn)的控制電路,在降低成本的同時(shí),提高逆變器效率。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:「微侃」特斯拉如何減少75%的碳化硅的使用
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