功率模块应用技术

新能源汽车在运行过程中的高温、振动等因素使得对功率模块的性能提出了更高的要求。IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、可承受电流大等特点，已成为功率变换器设计的主流器件。在一些低压大电流的场合，功率MOSFET也有着广泛的应用。

与工业用功率模块相比较，新能源汽车用功率模块有如下特点：

（1）宽温度特性

根据设计要求的不同，电机控制器、车载充电机等装置可能放置在汽车后备厢或前舱盖下等密闭的空间中，对于功率模块来说，一个重要的技术指标就是在不降低模块性能或缩减其使用寿命的前提下，功率模块可以在环境温度达到105 ℃的情况下正常运行。

（2）复杂的运行工况

不同于工业用电动机，新能源汽车运行工况更加复杂，例如车辆频繁起动、停止、加速、减速等运行状态；这些情况下，施加在功率模块上的电压、电流并非一个恒定值，而是随着车辆的不同状态而反复变化，并且有冲击大电压、大电流出现。相应的，功率模块应能够适应复杂的运行工况，在电压、电流的循环冲击下可靠运行。

（3）高可靠性要求

车用功率模块必须和汽车寿命周期保持一致，对于IGBT、MOSFET等功率器件的耐久性提出了更高的要求，通常功率模块的寿命为15年及以上。

工业用功率模块与汽车用功率模块的差异如表4-1的所示。

表4-1 工业用功率模块与汽车用功率模块的差异

影响功率模块失效的主要因素包括功率循环、热循环以及振动等，随着工作循环次数的增加，功率器件的键合点容易出现失效。

如何选择合适的功率器件以适应不同电动机及其驱动系统，是决定功率变换器性能的关键因素。选择功率模块主要从以下几个方面考虑：

（1）额定电压和额定电流

对于大多数A0级及以上的新能源汽车而言，除了混合度较小的混合动力汽车之外，车辆的动力蓄电池的额定电压一般为300 V左右，制动或充电过程中，蓄电池电压有可能上升至400 V以上。选择功率模块的额定电压时，主要考虑充电结束电压和最大允许电压。所以，对于这一类车辆的功率器件的额定电压一般选为600 V或以上的电压等级。

功率器件的额定电流主要由电动机的功率和器件并联的数目所决定。由于器件工作温度的限制，额定电流一般是通过电动机的峰值功率或峰值转矩对应的交流电流峰值来计算，考虑到其他安全因素，选择功率模块的额定电流通常为交流电流峰值的1.3～1.5倍。当采用多个功率器件并联时，可以选择额定电流较小的器件。但是，为了解决均流的问题，并联的功率器件必须一致。

（2）开关频率和开关损耗

开关频率的增大可以提高装置的功率密度以及减小滤波器的尺寸，减小或取消缓冲电路，进而减小整个功率变换器的体积和质量，提高变换器的整体效率。在新能源汽车中，效率的提高有至关重要的影响；如果驱动系统能得到1%的额外能量，那么车辆就可以多行驶数千米。但是，在硬开关PWM变换器中，随着开关频率的上升，开关损耗也会成比例的增加，反而会使电路效率大大降低；另外，还会产生严重的电磁干扰（EMI）噪声，采用高频软开关技术可以很好地解决这些问题。在谐振软开关电路中，功率器件在零电压或零电流条件下通断，理论上开关损耗为零。在直流环节谐振变换器中，开关频率可以达到200 k Hz，而开关损耗却非常小。虽然谐振软开关电路有诸多优点，但是，它离实际应用还有一定的差距。目前，在新能源汽车中仍然是采用硬开关PWM变换器，从实用角度来看，5～15 k Hz的开关频率对于效率、噪声和电磁干扰是比较合适的。

（3）动态特性和器件保护

功率器件应该有高耐d /du t（20000V/μs）和di/dt（10000A/μs）能力。器件的驱动功率应该尽量小，这就要求器件的输入电容很小，输入阻抗必须非常高（几兆欧以上）。与功率器件反并联的续流二极管应该有和主开关器件一样的动态特性，如低的反向恢复时间和相同的电压、电流能力。器件的可靠性直接关系到新能源汽车的可靠性和安全性，当器件承受最大的允许电压时，它应该具有承受适量过电压的能力。另外，器件还应该具有一定的 2It的承受能力。在硬开关PWM变换器中，器件在安全工作区（SOA）应该是矩形的，有最大电压和最大电流构成。器件保护电路的设计至为关键，在任何情况下，如果通过器件的电流超过额定最大值，保护电路就必须自动关断器件。

（4）成本

功率模块的价格在整个功率变换器中所占的比例可达30%～40%。由于新能源汽车造价不菲，所以应该尽可能选择性价比高的器件。