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機械工業雜誌
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摘要
隨著電動車(EV) 動力系統朝向小型化與高效率發展,電動車馬達驅控器逐步轉向高電壓 800 V 碳化矽(SiC) 架構。本文說明工研院所開發之 800 V SiC 馬達驅控器的設計演進歷程,由採用薄膜直流鏈電容、已完成驗證之 60 kW/L 設計,進一步發展至透過陶瓷直流鏈電容整合以邁向 100 kW/L 之次世代架構。
透過雙脈衝測試、紅外線熱影像與動力計實驗結果顯示,在高速切換之SiC 馬達驅控器中,直流鏈寄生電感相較於電容容量大小,更主導切換應力與電壓過衝行為。研究結果證實,結合適當切換頻率與布局設計之陶瓷直流鏈電容,為實現超高功率密度電動車馬達驅控器提供一條可行的工程路徑。
Abstract
The increasing demand for compact and efficient electric vehicle (EV) powertrains has shifted traction inverter design toward high-voltage 800 V silicon carbide (SiC) architectures. This article presents the design evolution of an 800 V SiC traction inverter developed at ITRI, progressing from a validated 60 kW/L configuration using film DC-link capacitors to a next-generation design targeting 100 kW/L through ceramic DC-link integration.
Experimental results from double-pulse testing, thermal imaging, and dynamometer validation show that DC-link parasitic inductance, rather than bulk capacitance value, dominates switching stress and voltage overshoot in highspeed SiC inverters. The results confirm that ceramic DC-link capacitors, combined with appropriate switchingfrequency and layout strategies, provide a practical path toward ultra-high-power-density EV traction inverters.
前言
功率密度是現代電動車 (EV) 馬達驅控器的關鍵性能指標,其發展受到封裝限制、效率目標和冷卻成本降低等因素的影響。過去十年,驅控器功率密度已從矽基 IGBT 系統的 20 kW/L 以下提升至約 60 kW/L,這得益於碳化矽 (SiC) 功率模組和 800 V 架構的採用。
在工業技術研究院 (ITRI),此發展歷程已從 400 V 矽基平台推進到採用薄膜直流鏈路電容器的 800 V SiC 馬達驅控器,實現了 60 kW/L 的功率密度。然而,功率密度的進一步提升正受到直流鏈路電容器的限制,該電容器不僅占據了馬達驅控器的大部分體積,也引入了寄生電感,進而限制了高速 SiC 系統的開關性能和電磁干擾 (EMI)性能。
為了克服這項限制,本研究探討了直流鏈路電容器的重新設計,以期將功率密度從 60 kW/L 提升至 100 kW/L。本研究以美國《2025 年電動驅動技術路線圖》 (DRIVE Electric Drive Technology Roadmap to 2025 time-to-2025)為參考,該路線圖指出直流鏈路設計、功率模組封裝和熱集成是 800V 電動動力總成的關鍵限制因素。基於這些目標,本文介紹了工研院(ITRI)開發的高功率密度 SiC 馬達驅控器的設計方法和實驗驗證,旨在建立一條超越目前國際功率密度基準的實用工程路徑。
800 V SiC 馬達驅驅控器系統概述
本文開發的 SiC 馬達驅控器基於 800 V 兩電平三相碳化矽(SiC)架構,專為超高功率密度電動車應用而設計。該系統將 SiC 功率模組、層疊式低電感直流母線、閘極驅動和控制 PCB、電流檢測電路以及液冷冷板整合於緊湊的機械外殼內。圖 1 展示了為實現 100 kW/L 體積功率密度而開發的 800 V SiC 馬達驅控器的結構架構。表 1 總結了馬達驅控器的關鍵電氣和熱學規格。馬達驅控器採用垂直堆疊的低電感布局,將控制、驅動、功率、熱學和 EMI 子系統整合於緊湊的 3.5 L 外殼內。控制板提供隔離的閘極驅動、電流偵測和 PWM 產生功能,並採用專用屏蔽板以確保汽車級 EMI 抑制。驅動板設計著重於降低閘極迴路電感,從而實現穩定的高 dv/dt 運行。功率級採用英飛凌 FS03 六合一 SiC MOSFET 模組,該模組整合了三個半橋相臂。
DOI: 10.30256/JIM.202604_(517).0012
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2026年04月號
(單篇費用:參考材化所定價)