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              800V系统用SiC还是IGBT

              我之前一直以为Taycan用的是Delphi的SiC的器件,但是根据目前日立所AMS披露的,包括Taycan里面维修手册所描述的情况来看,情况并不是这样。

              图1 2020年后的电压和功率系统

              800V下的IGBT模块

              这份报告的原文为《High Voltage and High Power Density Technologies for Inverter in Vehicle》。

              图2 信息的发表来源

              这里最让人惊讶的部分,就是Taycan是沿用了原有的IGBT模块的,如下所示。日立AMS开发的逆变器改良了整体的绝缘设计,核心是在之前的基础上改进了并推出了适用800V的功率模块。新的功率模块匹配800V系统,达到了94kVA/L的功率密度。系统电压要从400V提高至800V,在功率模块层面主要需要提高耐电压水平,通过优化模块的封装设计及使用的绝缘结构,避免了增加模块的尺寸。功率模块由两个功率元件串联而成,采用二合一封装,IGBT及引线框架等元件均采用了转印模具密封,并进一步封装在铝制模块壳体中,采用双面冷却。

              图3 日立的IGBT模块

              图4 日立的双面冷却技术从2015年左右进入成熟期

              绝缘处理方面,除了将绝缘体完全覆盖在施加高电压的电极上进行绝缘以外,还能通过设置绝缘距离进行绝缘,但需要同时确保空间距离与爬电距离。为了延长绝缘树脂件的爬电距离,增加筋和槽,在总线端部设置倒角形状。下图树脂绝缘部分的截面图,功率模块的铜排被绝缘树脂隔开,为了延长爬电距离,除了在垂直方向上增加树脂的高度之外,还通过在绝缘树脂与总线接触的地方开缺口来保证爬电距离。

              图5 功率模块的绝缘设计

              功率模块树脂片对焊接了功率器件的引线框架和散热片进行绝缘,树脂片大量填充了负责向散热片导热的陶瓷填料,实现了薄膜化,保证了较高的散热性能。但由于绝缘片与引线框架和散热片粘合时产生的小空隙可能会导致介电强度下降,因此导体箔被层压在绝缘片的内部。功率模块使用的绝缘片内部叠有导体箔,防止局部放电。当施加到空隙的空气层的电压高于空气的介电击穿电压时,就会发生局部放电,通过用导体箔对施加到绝缘片的电压进行分压来减小空隙的电场。利用导体箔、引线框架与散热片之间的电位差分压至上下两层绝缘片,将导体箔的电位固定为中间电位,改善绝缘片的局部放电特性。

              图6 绝缘特性的设计

              SiC的使用和路径

              在整理11kW交流充电机方面,这里的H桥电路部分,应该都是使用SiC器件来做的,包括保时捷自己后续采用的直流充电桩里面也采用了SiC模块。

              图7 交流充电机的SiC使用

              在《4E Power Electronic Conversion Technology Annex》一文中给出了一些SiC的使用路径,可能可以参考。

              小结:我之前一直以为Taycan是最早使用SiC全套的车型,从Taycan开始开发的时间到2019年量产,我们能看到保时捷的工程师对于驱动逆变器应用并不特别成熟的技术的犹豫,到2022年的PPE平台,会大量使用SiC技术。


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