SKAI驅(qū)動系統(tǒng)研究

SKAI模塊（賽米控先進技術(shù)集成）是實現(xiàn)電源由直流到三相交流轉(zhuǎn)換的逆變系統(tǒng)，它包含了為提供所需質(zhì)量與數(shù)量的電能負載所必須的所有元件。

SKAI驅(qū)動系統(tǒng)主要的功能如下：三相逆變裝置中的功率半導體開關(guān)、與存儲電容的直流鏈接、電流傳感器/溫度傳感器/電壓傳感器、開關(guān)器件的門極驅(qū)動、控制器、總線接口、電子器件以及冷卻系統(tǒng)的電源。
　　
集成技術(shù)
　　
賽米控的SKAI驅(qū)動系統(tǒng)集成了將電能從直流轉(zhuǎn)換為三相交流調(diào)速驅(qū)動器所需電流與頻率的所有硬件功能。圖1給出了該系統(tǒng)的方框圖。


圖1，SKAI驅(qū)動系統(tǒng)集成了將電能從直流轉(zhuǎn)換為三相交流調(diào)速驅(qū)動器所需電流與頻率的所有硬件功能。

SKAI系統(tǒng)的封裝設(shè)計以SKiiP技術(shù)為基礎(chǔ)，因為這種技術(shù)具有長期的高可靠性。SKiiP技術(shù)使用壓接代替大面積的焊接，消除了焊點的疲勞損壞和性能惡化。而多元壓接也能保證低熱阻和電阻。

圖2，Skiip技術(shù)使用壓接代替大面積的焊接，消除了焊點的疲勞損壞和性能惡化。而多元壓接也能保證低熱阻和電阻。

為了將這種封裝設(shè)計的寄生電感降低到nH級的水平，還設(shè)計了特殊的直流環(huán)節(jié)布局以及DBC基片的多元聯(lián)接技術(shù)。


圖3，并聯(lián)續(xù)流二極管的絕緣基片的低電感的接觸原理

圖3示出了帶有IGBT和續(xù)流二極管（FWD）的高壓SKAI模塊結(jié)構(gòu)原理。頂層和底層開關(guān)單板上的IGBT和續(xù)流二極管被放置在一塊基片上，開關(guān)器件和續(xù)流二極管之間的距離很短，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的另一個優(yōu)點就是在并聯(lián)的功率開關(guān)器件之間形成均勻的電流分布。
　　
低壓SKAI模塊實現(xiàn)了寄生電感的最小化：MOSFET半橋的寄生電感小于1nH，加上直流環(huán)節(jié)電感（1nH）和電容電感（2nH），整個模塊電感小于4nH。從而在這種系統(tǒng)上可以實現(xiàn)很高的開關(guān)頻率和降低電壓過沖。即使在額定電流關(guān)斷的情況下，電壓尖峰也只有15V。[!--empirenews.page--]
　　
驅(qū)動、保護和控制電路
　　
三相逆變器所需的所有電氣功能如驅(qū)動、保護和控制全部集成在系統(tǒng)的一塊印制電路板（PCB）上。該PCB上布置了控制器（數(shù)字信號處理器TMS320LF2406/2407 ）、隔離的門極驅(qū)動和保護電路，以及為這些電子電路供電的電源。串口總線（CAN 總線）是控制器到外部的通信接口。該PCB安裝在模塊里并放置于開關(guān)電源上部。到基片的內(nèi)部電氣連接是通過短的彈簧壓接實現(xiàn)的，PCB和DBC基片之間連接也是采用這種方式。
　　
SKAI模塊內(nèi)部集成了過流保護、過溫保護、直流母線過壓保護以及輸入欠壓保護。
　　
先進的驅(qū)動系統(tǒng)的例子
　　
SKAI模塊不同型號的產(chǎn)品系列覆蓋了從42V~900V的直流電壓范圍。
　　
A．采用MOSFET開關(guān)器件的低電壓系統(tǒng)
　　
這類系統(tǒng)是為電池驅(qū)動汽車或輕型混合動力汽車設(shè)計的，這類設(shè)備負載電流有效值在300A~700A的范圍內(nèi)，主要取決于電池電壓和冷卻條件。根據(jù)電池電壓的不同，SKAI分別選用阻斷電壓為75V、100V或150V的最好的溝道MOSFET器件。將封裝相關(guān)的阻抗計算在內(nèi)，MOSFET開關(guān)器件的通態(tài)阻抗分別是：75V的為0.86 mΩ、100V的為1.14 mΩ、150V的為2.09 mΩ。


圖4，以di/dt = -7100 A/ms的速率關(guān)斷。負載電流為700A的器件的測試數(shù)據(jù)圖

圖4是MOSFET一個管腳的寄生電感的測試結(jié)果。測試時所施加的電流坡度為7100 A/μs，測到的峰值電壓ΔV 為 5.89 V，根據(jù)ΔV = L ·di/dt的關(guān)系式，可以得到L = 0.83 nH，這與仿真的結(jié)果0.9 nH相當吻合。
　　
此系列模塊標配散熱器為槽形散熱片的水冷系統(tǒng)（50%水，50%甘醇）。其橢圓形的橫截面散熱性能更好，并能減少積灰污物。
　　
帶MOSFET開關(guān)器件的低壓SKAI模塊的尺寸為315mm x 115mm x 95mm，重3kg。表1列出了該低壓SKAI模塊的技術(shù)數(shù)據(jù)。


表1，低壓SKAI模塊的技術(shù)數(shù)據(jù)

B．采用IGBT為開關(guān)器件的高壓系統(tǒng)
　　
采用帶載流子軸向壽命控制技術(shù)的600V和1200V IGBT和續(xù)流二極管做開關(guān)器件的SKAI模塊，定位于完全混合動力汽車、燃料電池汽車以及工業(yè)領(lǐng)域的應用。600V和1200V型號的SKAI模塊技術(shù)數(shù)據(jù)參見表2。


表2，高壓SKAI模塊技術(shù)數(shù)據(jù)

由于金屬箔電容較高的紋波電流能力以及高溫時較長的壽命，因此采用它作為直流存儲電容。250 kW的模塊體積僅為8.6L，設(shè)計非常緊湊。