功率模块在电动汽车内部工作时,是两种模式;
一种是电动模式,电流从DC端的电池流向AC端的电机,电能转化为机械能。
一种是发电模式,正好反过来,这个时候电动机就变成了发电机,电流从AC端的电机流向DC端的电池,机械能转化为电能。
这两种模式都需要用到IGBT/SiC MOSFET模块,因为其核心电路是三相全桥逆变电路(发电时是整流电路)
前几天讨论的都是电动模式,今天讨论下发电模式
这张图把发电机和电动机分开了,实际上电动机完全可以作为发电机使用,因此,是可以共用一个电机和一个全桥模块的。
好了,考虑下发电模式,那么电流肯定是从负载流向DC母线,也就是说,对于母线而言,发电机发出的电,经过整流流向电池,方向是从DC-到DC+。
既然是DC-流向DC+,那肯定是DC-的电位高,从图中来看,电流走的是二极管。
那么此时,电路的主要能量损失是什么?显然是电流I乘以压降VF,也就是说,续流二极管(其实这时应该叫整流二极管)的压降VF决定了整流电路的效率。
那么对于发电电路,IGBT和SiC MOSFET哪个效率更高呢?
简单粗暴,直接上数据手册对比:
上图是比亚迪BG820 IGBT模块的续流二极管VF,大约1.6V
上图是比亚迪BM840 SiC MOSFET模块的体二极管Vsd,是的,你没看错,4.6V。SiC MOSFET自带的体二极管在IGBT模块额外的反并联二极管面前被爆成渣。
上篇我们提了,SiC MOSFET在电动车电动模式下效率非常高,然而今天在发电模式下的VF被Si IGBT暴打,难道SiC 模块天然不适合电动汽车的能量回收吗?
SiC 模块呵呵一笑,哥还有个压箱底的绝活,今天show给你们看看,电动模式下效率能碾压IGBT,发电模式下效率也当仁不让。
SiC MOSFET的绝活就是:第三象限导通(Third Quadrant)
看图,如果在整流的时候把MOSFET打开,那么这个时候,MOSFET就可以看成一个电阻,此时,电流从Source流向Drain,而这个反向流动的Rsdon和Rdson是近似相同的(甚至在沟道完全开启的情况下,由于体二极管的分流,阻抗比正向导通还要低!)
计算下,此时的Vsd≤Rdson乘以Id=2.7mΩ×360A=0.972V !!!
而此时IGBT的压降是1.4V!
也就是说,SiC MOSFET利用第三象限导通的特性,获得了远低于IGBT模块的电压损失,获得了远高于IGBT+FWD的整流效率。
why?要理解这个,就需要理解DMOS的结构:
我们看到,当DMOS完全开启时,整个MOSFET的导通阻抗完全由图中各部分决定,每个部分都呈现电阻特性,因此,你可以把完全开启的MOSFET看成一个小电阻(Rdson=Rsource+Rchannel+Rjfet+Rdift+Rdrain),所以,其电压降仅仅只是和电流相关,在小电流下,这个优势是巨大的。
再来看二极管
由于内建电场的存在,即使在正向偏置的情况下,也会存在一个最小正向偏置电压Vbi,也就是说,必须要越过这个电压,才能形成电流,所以,二极管的输出特性曲线,在小电流情况下特别吃亏,即使电流接近0,VF还是有那么多。
如图,在电流接近0A的时候,MOSFET的VSD几乎为0(Vsd≤I×Rdson),而二极管的VF则接近0.7V,
再看电流200A时,SiC MOSFET的Vsd小于Vds小于0.5V,而二极管的VF超过了1V。
只有电流到达600A时,二极管的VF才和SiC MOSFET的Vsd差不多。
对电动汽车而言,额定功率一般不超过200kW,哪怕配400V平台,电流一般也不会超过600A,如果是800V平台,电流都基本不会超过300A,也就是说,在电动汽车这个领域,SiC MOSFET的第三象限导通特性,对于二极管的VF特性,是完全碾压的。