碳化矽高功率密度電動汽車驅動器開發功率密度電動汽車驅動器開發

摘要：本研究目的為開發一高功率密度及高效率馬達驅控器，特別針對電壓與元件做升級優化，導入碳化矽功率元件，以達成98 %驅控器效率及單位體積功率密度40 kW/L之目標，後續將整合驅控系統做整體性能優化，以進一步改善系統體積及精進功率密度。本研究探討高壓高功率馬達驅控器的設計流程，包含：SiC高壓功率開關，直流鏈結電容規格的設計選用，雙脈衝測試，溫度估測技術，及驅控器機構布局。我們已成功開發出國內首例碳化矽馬達驅控器，具備98.4%高效率及42.8 kW/L高功率密度，可應用於高壓大功率之電動貨車或巴士，提供動力驅控器國產自主開發方案。
Abstract：The purpose of this research is to develop a high power density and efficiency electric vehicle traction inverter, especially focusing on voltage and component upgrade optimization, and using silicon carbide power devices, in order to achieve 98 % driver efficiency and a unit volume power density of 40 kW/L. We will integrate the drive and control system to optimize the overall performance in the next stage, so as to further improve the system volume and power density. This  article discusses the design process of a high-voltage and high-power motor driver, including design selection of SiC high-voltage power transistors, DC-link capacitor specifications, double-pulse test, temperature estimation technology, and motor driver mechanism layout. At present, the first domestic silicon carbide motor driver has been successfully developed. It has a high efficiency of 98.4% and a high power density of 42.8 kW/L. It can be applied to high-voltage and high-power electric trucks or buses, and provides domestic independent development solutions for power drivers.

關鍵詞：馬達驅動器、碳化矽、高功率密度
Keywords：Motor drive, Silicon carbide, High power density

前言
隨著全球暖化、碳排目標，及燃油車禁售政策，全球電動車驅動發展正逐年提升，眾多車廠已積極投入電動車的開發，身為電動車核心的馬達驅控器，低損耗、高效率一直為眾多研究探討的議題。在美國能源部 (U.S. Department of Energy, DOE) 2025年路線圖中，主要從效率、功率密度、成本方面作出指標要求。從路線圖核心的要求可窺見對於電動汽車商業化的實現，成本和體積功率密度為最核心的問題。在體積功率密度指標中，動力系統要在2025年達到33 kW/L，分布於驅動系統需要到100 kW/L [1] 如圖1。本研究主要探討驅動系統部分，其趨勢朝向小型化、高功率，及高效率為發展重點。

圖1 美國能源局DOE功率密度目標示意圖

台灣在馬達、驅控器及傳動系統的製造產業上已有許多深厚的經驗，也有完整的產業供應鏈，但各模組次系統廠尚屬於獨立設計與開發，對應車廠需求與上車後的車輛工程往往使車廠花很多的時間進行系統整合，對於整車廠來說，未來的趨勢是以小型化高效能的高功率密度動力系統為主，次系統廠能提出完整的動力系統解決方案是車廠所期待的，但國內仍缺乏高功率密度動力系統設計與分析能力。近年來，在電動車國產化等政策大力推動，及產官學研的合作努力之下，國內馬達驅控廠(如大同、東元、士電)已具備百仟瓦電動動力設計與開發實績 [2]，然而，目前國內發展的電動動力系統多以分散式模組設計為主，採用傳統Si-based IGBT。故本研究參考國際文獻之作法，為了達到高效率、高功率密度之需求，高壓操作及導入寬能隙元件為必然的趨勢。寬能隙元件-碳化矽(SiC)相對於矽基(Si-based)功率元件擁有更高的開關頻率、更高的崩潰電壓，及耐更高的工作溫度 [3]。應用於馬達驅控器，可小型化驅控器體積、提升單位體積功率密度，及簡化水冷散熱系統。近年來國際文獻已揭露使用SiC功率模組，並使操作頻率提升，工作電壓提高，可達到高效率及高功率密度之成效，如LG Electronics Vehicle (34 kW/L) [4]、Mitsubishi (86 kVA/L) [5]，另有馬達驅控器廠商發布超越美國DOE 2025年100 kW/L指標的訊息，如Mitsubishi (150 kVA/L) [6]，及DANA(195 kW/L) [7]，但所揭露資訊鮮少，也未有效率等資訊可供參考。
本研究開發規劃是基於美國DOE對於動力系統要求的功率密度作為指標參考目標，功率元件採用寬能隙元件之SiC功率模組，透過系統性分析與設計技術發展，提供高功率密度電動動力系統的完全解決方案，並導入國際標竿產品分析與測試。基於先前具備高功率密度及使用Si-IGBT高效率120 kW動力系統的開發經驗(技術規格(19.3 kW/L)已達目前國際同級標竿水準)，進而建立高壓高功率密度之SiC馬達驅控器分析能量及動力系統驗證技術，並開發階段目標>40 kW/L之低損高耐熱碳化矽驅控器技術 [8]，後續將透過驅控器切頻的提升以減小被動元件的體積，和控制策略及散熱系統的優化以提升功率密度，期能符合美國能源局DOE於2025年100 kW/L之高功率密度研究目標，以協助國內廠商建立次世代關鍵電動動力技術，使國內動力系統技術能更往上推進一層。
ITRI驅控器發展主要針對符合美國能源局DOE設定2025年100 kW/L之高功率密度的馬達驅控器目標做布局，所規劃發展路線圖如圖2所示。在2021年前，所設計之馬達驅控器採用Si-based IGBT功率模組，操作電壓< 400 V，操作頻率為8~12.5 kHz，分離式的驅控器架構設計最大功率>120 kW，體積功率密度>19.3 kW/L；為進一步提升動力系統體積功率密度，設計採整合式的架構，一體化水冷軸向設計整合馬達與驅控器 [9]，最大功率>130 kW，其動力系統體積功率密度> 4.9 kW/L，驅控器體積功率密度> 21 kW/L。近期導入SiC功率模組，操作電壓> 700 V，操作頻率> 12.5 kHz，操作電壓與操作頻率提升，可減小損耗及被動元件體積，大幅提升功率密度，本研究將於以下內文做詳細介紹。

圖2 ITRI驅控器發展示意圖