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清研科普 | 为什么三电技术中,电控技术很少被提及?

2023-03-31 22:40:45·  来源:清研华科  作者:张抗抗  
 
最近小编经常听到三电技术这个词,电池、电机、电控嘛!就算不是这方面的专业研究者,但讲起电池的时候,小编也能说上来麒麟电池、刀片电池、弹匣电池等技术;讲起电机,也能说上几句感应电机、永磁同步电机的区别,也知道扁线电机、发卡绕组等技术。那么电控

最近小编经常听到三电技术这个词,电池、电机、电控嘛!就算不是这方面的专业研究者,但讲起电池的时候,小编也能说上来麒麟电池、刀片电池、弹匣电池等技术;讲起电机,也能说上几句感应电机、永磁同步电机的区别,也知道扁线电机、发卡绕组等技术。

那么电控呢?怎么感觉电控技术很少被提及呢?带着这个问题,小编请教了研究院的专家。

专家微微一笑:“电控之所以看起来隐形了,有四个原因。”

1、部分电控技术,被电机、电池技术涵盖

现在电动车常用的永磁同步电机和异步交流电机,都属于三相交流电机。

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图1. 电动汽车驱动电机种类


三相交流电机与矢量控制算法(Sensorless vector control )是严格绑定的。也就是说,当一辆电动汽车说自己采用了永磁同步或异步交流电机的时候,就默认公布了自己采用的电控算法。

2、核心电控算法已经成熟,难创新

交流电机的发展高峰期在20世纪60至80年代,主要推动力是:

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图2. 电机驱动发展历程概述


  • 算法:空间矢量调制控制技术(SVPWM, Space Vector PWM)。

  • 信号硬件:先进处理器的发明使用,承载算法。

  • 功率硬件:IGBT的发明与商业推广,执行算法。

这三者都属于电控范畴,但是算法已经成熟,几乎不可能再改进;承载算法的信号硬件早就够用了,也没啥好提的。这就像不发售新的游戏,Nvidia显卡也就没有用武之地一样。

功率硬件也就是功率半导体,倒还有进步的空间,只不过大家似乎没意识到这属于电控。这就涉及到下一个方面了。

3、提及了,但没意识到这属于电控技术

碳化硅(SiC)技术大家应该都有所耳闻,特斯拉、比亚迪的电机能耗之所以低,就因为率先用上了SiC半导体技术。那SiC MOSFET、IGBT这种看得见、摸得着的硬件,怎么能说是电控技术呢?

无论是永磁同步电机(PMSM, Permanent-Magnet Synchronous Motor),还是异步交流电机(IM, Inductor Motor),要想旋转起来都离不开正弦波的交流电:

  • 算法:这个正弦波的时刻、周期、相位,就是由SVPWM算法来决定的,也就是一行行代码组成的算法。

  • 算法 → 信号:算法转化成信号,就是依赖处理器,也就是芯片。

  • 信号 → 功率:信号转化成功率,就是依赖开关器件,也就是功率半导体器件。

只需要给“开关器件”输入一个小功率的控制信号(例如1毛钱发个短信),它就可以输出/断开高功率电流——这种以小搏大的开关器件,就是传说中的双极型晶体管(简称BJT,Bipolar Junction Transistor),又称三极管。

可以看到,BJT能以小电流控制大电流、能以1美分杠杆撬动100美元,因此又被称为“放大器“。

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图3. BJT工作原理


BJT能完成“开关器件“的基本功能,但它也有开关频率较慢、开关损耗较高、驱动功耗高等缺点,更重要是:它要撬动100块钱,至少要花费1毛钱,如果我1毛钱都不想花呢? 

那就要把“流控器件”换为“压控器件”,也就是MOSFET(metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属-氧化物半导体场效应晶体管)。

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图4. MOSFET结构示意图


MOSFET也有三个极,只需要在Gate极上施压(施加一个电压信号)不需要花费什么,就可以在另外两极上输出/断开功率电流。

如此看来,MOSFET比BJT好得多,但应用到汽车领域有一个致命问题:耐压较弱、做不了高功率。大体上来说,600V10A就基本到头了 —— 400V勉强可以用一下,但功率只有6kW,造个电动自行车还行。

电动汽车的应用场景太苛刻,MOSFET的小身板扛不住,那咋办?有两条思路,一是从外部找帮手,二是从内部提高自身属性,打铁还需自身硬。

俗话说得好,严以待人,宽以律己 —— 提升自身属性的路总是很难的,还是先去找找帮手吧!于是,MOSFET找到了刚被它痛打过的BJT,二者组成了耐压范围600-6500V的大功率开关器件,也就是MOSFET + BJT = IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)。

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图5. 功率半导体主要应用领域


BJT、MOSFET、IGBT指的都是半导体“结构”,默认都基于Si(硅) “材料”。因此,它们的全称应该“材料+结构”的组合,比如Si MOSFET、Si IGBT。只不过在很长一段时间里,除了Si别无选择,所以也就把材料符号给省略了。

SiC(碳化硅)则是近年来兴起的第三代半导体材料,它是一种宽禁带半导体材料,可以做到很高的耐压下芯片还很薄 —— 高耐压、高功率、高效率、小体积

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图6. 半导体发展


材料属性的提升,意味着用它们制成的半导体器件应用范围更广:

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图7. Si, SiC, GaN应用场景


这也意味着,我们没必要用给Si MOSFET找帮手升级为Si IGBT的方式来提高能力了,可以按照打铁还需自身硬的思路,以提升材料属性的方式升级为SiC MOSFET就可以了

所以说,从算法→信号→功率这个链条上来看,SiC MOSFET与IGBT应该归为电控技术吧!

4、理解门槛高,不易传播

有些电控算法理解门槛高,不易传播。例如电控有一个核心的安全概念:功能安全(Function Safety)。

功能安全这个概念非常复杂,难以理解。别说讲给消费者了,就算是工程师,没有相关经验也很难明白。如果你是车企的市场总监,你觉得重点宣传电控是一个好主意吗?

小编听完之后懂了:并不是电控不重要,只是不太好单独宣传,或者是已经被电机/电池技术涵盖了。如果有兴趣深入钻研,才有可能领略电控技术的精妙!


参考链接:

  1. https://www.zhihu.com/question/23894327/answer/168299698

  2. https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET

  3. http://guba.eastmoney.com/news,688396,925916159.html

  4. 宽禁带半导体行业深度:SiC与GaN的兴起与未来. 中泰证券. 2019年.

  5. https://www.infineon.com/cms/en/product/wide-band-gap-semiconductors-sic-gan/

  6. https://www.onelectrontech.com/applications-of-wide-band-gap-wbg-devices-in-energy-infrastructure/

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