【《关于碳化硅器件研究的国内外文献综述》6200字】

关于碳化硅器件研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u22453关于碳化硅器件研究的国内外文献综述 1197701碳化硅器件的研究现状 3220192碳化硅电机控制器研究现状 4151182.1国外研究现状 470142.2国内研究现状 5253172.3电机控制策略的发展 619977参考文献 7两百年前，化石能源的大规模应用使人类从农耕文明阶段进入工业文明阶段，在带来人类社会快速发展的同时，也带来严重的环境污染和不可持续的能源危机。当今，再生能源和新能源技术领域的进步，深刻影响着现代社会的发展。作为推动新一轮科技革命和产业革命的重要组成力量，我国的新能源汽车产业正在繁荣发展，推动着纯电动汽车和插电式汽车向电动化、网联化、智能化等方向更加深入的探索。伴随着新能源汽车产业的蓬勃发展，催生了上万亿元的潜在市场。其中“三电”作为新能源汽车核心技术，其性能指标决定了整车的主要技术指标以及新能源汽车产业的发展[1-4]。由于新能源汽车电机的体积以及储存能量有限，同时在车辆运行过程中可能存在频繁的启停，因此要求电机具有体积小、功率密度高以及具有良好的驱动控制能力和过载性能，由于永磁同步电机具有效率转换高、功率密度高等优势[5-11]，从而在新能源汽车电机驱动控制领域得到广泛的应用[12]。表1-1半导体材料特性对比Table1-1Comparisonofcharacteristicsofsemiconductormaterials第一代第二代第三代材料特性SiGaAsSiCGaN热导率1.50.54.92.5禁带宽度1.121.433.263.39电子迁移率1350800010001200击穿场强0.30.42.83.0饱和电子漂移速度1×1071×1072×1072×107作为电机驱动系统的重要组成部分，半导体功率器件是保证车辆运行可靠、高效的关键部件之一。当前车用功率器件基本采用以传统Si材料为主的IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为核心功率器件，但是随着新能源汽车的发展，对整车驱动控制的小型化、轻量化和高效能提出更高的要求，而受到硅基自身材料特性的限制[13]，其电力电子性能已经难以满足新一代车用驱动系统的设计要求。随着对第三代半导体技术研究的逐渐深入，SiC/GaN等具有更优电气性能的宽禁带半导体[14-17]开始得到国内外学者的关注。表1-1和图1-1是对不同半导体材料特性的对比，从中可以看出，碳化硅SiC是一种性能优异、具有更好电气性能的宽禁带半导体。图1-1：第一至三代半导体材料物理特性对比Figure1-1Comparisonofthephysicalpropertiesofthefirsttothirdgenerationsemiconductormaterials基于SiC的功率器件具有以下优势：（1）耐压等级高：SiC材料远超于Si材料的击穿场强，可以使SiC功率器件承更高的电压等级，可以在高铁、光伏发电等高电压电力系统中得到应用。（2）导通损耗小：SiC材料的电子迁移率低于Si材料，同电压等级下SiC材料的漂移层阻抗低于Si材料，其电子饱和速度和禁带宽度同样高于Si材料，这些特性使得SiC功率器件具有极低的导通电阻，从而导通损耗也很小。（3）开关速度快：SiC材料的饱和电子漂移速度比较高，因此基于SiC功率器件的开关速度普遍比较快，一方面，更快的开关速度可以降低开关损耗，提升系统的运行效率，另一方面，开关速度的提升可以有效减少功率器件体积，提升驱动系统的功率密度。（4）耐高温：SiC材料热导率比较高，因此器件的散热能力更好，温度上升更慢，可以减小散热装置的体积和重量，同时较高的禁带宽度可以使SiC器件在高温下仍保持稳定的晶体结构，目前已经商用的SiC功率器件的热击穿温度可以达到600℃，远远高于硅基功率器件的175℃。SiC材料以其优秀的电气特性以及在功率半导体器件领域巨大的潜力成为了当前新能源汽车驱动控制方向的研究重点和行业趋势，因此探究基于碳化硅功率器件的电机驱动控制对于新能源汽车驱动控制具有十分重要的意义。1碳化硅器件的研究现状以SiC功率器件为代表的第三代半导体技术正蓬勃发展，2021年全球市场规模预测约在10-15亿左右，并且会以每年30%的速度高速增长。由于碳化硅功率器件在电力电子技术以及新能源领域具有巨大的技术优势和应用前景，因此各国研究人员对其进行大量的研究，取得了很多成果。早在1992年，美国北卡州立大学就已经研制首个击穿电压为400V的SiC-SBD，2001年首个基于SiC的肖特基二极管开始商业化运用，标志着SiC功率器件的研发逐渐由科研单位向企业转移。2010年和2011年，日本的Rohm公司和CREE公司相继推出商业化SiC-MOSFET，并投入量产，关于SiC功率器件的发展历程如图1-2所示。除此之外，欧洲的意法半导体（ST）、美国的艾赛思（IXYS）、美高森美（Microsemi）和日本的三菱电机（MitsubishiElectric）等公司对SiC功率器件的大规模应用也做出了巨大贡献[18-20]。图1-2SiC功率器件发展历程Figure1-2DevelopmenthistoryofSiCpowerdevices国内对于SiC功率器件的研究始于上世纪末，经过近30年的发展，已经在器件的研发和制作上积累了很多的经验。国内半导体厂商泰科天润在2015年推出的高性能SiC-SBD，其产品已经在国际市场中占据14%的份额。在SiC-MOSFET方面，基本半导体在2018年10月正式发布的1200VSiC-MOSFET，是第一款由中国企业自主设计并通过可靠性测试的工业级产品，各方面性能指标达到国际领先水平。而且，近年来随着国家对SiC产业的支持力度逐渐加大，国内研究学者相继开展对SiC研制工艺制作的相关研究，2012年西安电子科技大学研制出850VSiC-UMOSFET器件[21]，中科院微电子研究所在2015年已经研制出1700V/8ASiC-MOSFET器件，各方面性能指标接近目前已经大规模商用的第二代SiC-MOSFET，如图1-3所示。虽然我国在SiC功率器件方面的研究以及商业化生产中已经取得了很大的进展，但是在器件性能等方面，与国际领先水平仍然存在差距。并且随着我国正式提出“碳顶峰”、“碳中和”的概念，对于新能源智能化以及相关功率器件的需求更为突出，因此我国在SiC功率器件上国产化方面仍然有很长的道路要走。图1-3中科院微电子所研制的1200VSiC-MOSFET芯片照片Figure1-3Photosof1200Vand1700VSiC-MOSFETchipsdevelopedbyInstituteofMicroelectronics,ChineseAcademyofSciences2碳化硅电机控制器研究现状由于SiC功率器件具有优异的电气特性，广大科研工作者开始将SiC功率器件应用到新能源电机驱动控制领域，希望能够将SiC功率器件自身特性与新能源电驱控制需求相结合，促使新能源汽车产业得到更好的发展和突破。2.1国外研究现状在学术研究领域，文献[22]对比SiC-MOSFET和Si-IGBT同时采用直接转矩控制情况下，使用无速度传感器控制永磁同步电机的性能，实验结果表明，在相同的死区时间情况下，基于SiC功率器件的电机控制器的电压误差仅是Si-IGBT的1/2，同时还发现随着死区时间的减小，SiC基电机控制器的电压误差和转矩脉动也随之减小。文献[23]通过分别搭建基于SiC/Si的永磁同步电机实验平台，验证SiC与Si在电机驱动控制应用上的前景，通过对功率器件的损耗等状态进行对比，发现基于SiC的电机控制器整体损耗降低一半，效率可以提升将近1.5%，在相同散热条件下，SiC-MOSFET的散热器体积更小,可以进一步提升功率密度，文献[24]两种基于全碳化硅功率模块和全硅基功率模块的60kw电机驱动系统。分析计算两种采用正弦脉宽调制（SPWM）控制的逆变器的功率损耗。通过对两种系统的效率、尺寸和温度的比较，验证SiC器件具有损耗小、效率高、体积小等优点。文献[25]分别搭建Si/SiC基电机驱动系统，在最大550V的电源电压和最高20A的负载电流下进行对比测试，发现SiCMOSFET逆变器的电压变化率是SiIGBT逆变器的两倍。在商业应用领域，2016年特斯拉推出的Model3就采用全碳化硅功率模块，也是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企，Model3的逆变器是由48颗SiC-MOSFET构成，如图1-4所示。总功率可以达到300kW，功率密度提升到82kW/h，百公里加速3.83s，作为全世界最知名的新能源车企，特斯拉采用全碳化硅功率器件实现小型化、轻量化，带动全球碳化硅产业的快速革新和发展。图1-4特斯拉Model3全碳化硅逆变器Figure1-4TeslaModel3fullsiliconcarbideinverter2020年12月9日，日本丰田推出第二代Mirai燃料电池电动汽车，该车采用日本电装研发的新一代功率碳化硅功率半导体技术，可以将SiC功率器件应用到车载中，为车载环境提供高可靠性和高性能性，与配备有Si功率半导体的传统产品相比，配备SiC功率半导体（二极管和晶体管）的新型功率半导体模块的体积缩小约30％，功耗降低约70％，有助于减小增压动力模块，提高车辆功率转换效率。2.2国内研究现状南京航空航天大学的秦海鸿教师团队分别搭建SiC基和Si基电机驱动控制器，通过对比实验验证了基于SiC-MOSFET的电机控制器比基于Si-IGBT的电机控制器具有更快的开关速度和更高的结温能力[26]。文献[27]基于SiC-MOSFET设计了三相逆变器的主电路和驱动电路，该样机采用风冷散热进行仿真设计，通过结构优化以减少PCB板的寄生参数，最后研制的7.5KW的实验样机开关频率为100kHZ，理论效率达到97.5%，文献[28]通过对MOSFET芯片并联结构的布局进行研究，设计包含72个SiC芯片的SiC-MOSFE模块，成功开发超紧凑主控板和紧凑型驱动板，减小了电子系统的体积，研制的SiC控制器样机峰值功率85KW，开关频率20KHZ，样机最高工作效率可达98.6%，功率密度可得到37.1KW/L，如图1-5所示，为我国在新能源汽车电机驱动领域积累了有竞争力的核心技术和宝贵的研发经验。文献[19]针对基于SiC模块的汽车电机驱动器实际需求，设计旋转三态矢量调制技术，在利用DSP设计的实验平台中完善了对不同调制技术的验证。2018年10月，中车株车所研发的具有自主知识产权的SiC电动控制器项目完整样机研制，该项目基于国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项，产品各项技术指标均能满足要求。图1-5文献28设计的试验样机Figure1-5TheexperimentalprototypedesignedinReference282020年7月，由比亚迪自主研发的全碳化硅功率模块应用在汉EV纯电动汽车上，全碳化硅功率模块的应用使电机的输出功率可达200kW，比以往全硅基电机驱动器提升了一倍的功率密度，同时整车百公里加速度仅为3.9秒，较之采用传统硅基IGBT芯片的上一代纯电动汽车高于0.5秒。2.3电机控制策略的发展（1）恒压频比控制VF在电机调速过程中，为了保持气隙磁通不变，使定子相电压与频率的比值为的控制方式称为恒压频比控制。恒压频比控制可以在输出频率的同时调整输出电压，从而实现对电机转矩的控制，但是由于开环变压变频控制方式简单，只对电压的大小和频率进行调节，没有对电压的相位进行控制，因此控制精度有所降低；同时不适合工作在波动较大的场合，因此普遍应用在一般调速系统中[29-30]。（2）矢量控制：上世纪70年代初，德国学者首次提出交流电机磁场定向控制的方法。其原理是参照直流电机的控制方式，在坐标变化的前提下，对交流电机的励磁电流和转矩电流进行控制，由于这2个电流是相互独立的，因此可以实现对电机精准的速度和转矩控制[31]。由于在处理过程中需要将电机中的参量以矢量的形式表示，因此被称为矢量控制。由于矢量控制需要对交流电机的三相电压电流进行坐标变化，在这个过程中会涉及到复杂的坐标变换，同时定子磁链和转矩需要相应的控制器进行控制，在实际应用中交流电机调速系统的特性受控制策略的影响较大，因此矢量控制需要高性能的数字处理器和合适的参数整定算法来实现。（3）直接转矩控制DTC针对矢量控制在实际应用中出现的问题，1985年德国学者提出直接转矩控制理论，该控制方案采取定子磁链定向的方法，对电机的定子磁链和电磁转矩直接控制，该方法没有采用坐标变换，而是直接在电机定子坐标上进行控制，因此简化了控制器结构，但是因为快速的转矩响应会带来过高的冲击电流，进而对功率开关带来负面影响，因此直接转矩控制的转矩快速响应能力十分有限。不管是电机的矢量控制还是直接转矩控制，都需要设定控制器对其中的参数进行调节整定，而由于PID控制结构简单、适应性好等优点，因此在电机控制领域应用比较广泛，但是永磁同步电机是一个复杂的非线性系统，PID控制这种线性组合控制并不是一个很好的选择。为了扩展PID在电机控制领域中的应用，广大研究人员将滑模控制、自适应控制以及其他智能控制理论与传统PID相结合，从而弥补传统永磁同步电机PID控制的不足。其中滑模变结构控制是一个种非线性控制方式，内部滑动模态可进行设计，其对内部系统参数的变化以及对外部的扰动不灵敏，因此具有很强的鲁棒性，同时具有调节参数少、响应速度快等优点，针对传统PI控制在永磁同步电机中的缺陷，采用滑模变结构控制与矢量控制相结合用于电机速度环的调节设计，以期提高永磁同步电机速度控制的响应速度和精度，成为提高电机驱动控制的有效方法之一。碳化硅功率器件现在电机驱动控制领域中的应用还比较少，文献[32]在永磁同步电机空间矢量DTC中，将系统转速环用Super-twisting非奇异快速终端滑模控制器进行控制，并在Matlab/Simulink中搭建控制矢量仿真模型进行验证，可以提高相应速度，但是由于空间矢量DTC控制自身的特点，使得电机内部参数也会发生变化，从而影响到电机的正常运行。文献[19]搭建基于SiC模块的电机驱动器，以FOC矢量控制作为研究对象，采用Id=0和MTPA2种控制相结合的方式对电机进行控制，搭建仿真模型验证算法和参数整定的准确性，但是基于传统PI控制的Id=0控制方式由于对外界干扰敏感的影响，当负载突变的时候电机的相应时间会变长。因此，基于以上的分析，本文采用FOC矢量控制作为主要控制算法，同时结合滑模控制的优势，对传统PI控制进行改良，研究矢量控制系统在基于SiC-MOSFT电机控制器中的应用。参考文献[1]徐琼．改善永磁同步电机驱动系统弱磁控制性能的方法研究[D].长沙：湖南大学，2013.[2]BadawyMoHusainT，SozerY，etal．IntegratedControlofanIPMMotorDriveandHybridEnergyStorageSystemforElectricVehicles[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2017,53(6)：5810-5819.[3]王震坡，黎小慧，孙逢春．产业融合背景下的新能源汽车技术发展趋势[J].北京理工大学学报，2020,40(01):1-10.[4]王学梅．宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用[J].中国电机工程学报，2018,34(03):371-379.[5]崔薇佳．电动汽车用永磁电机及驱动控制研究[D].南京：南京航空航天大学,2015.[6]张凤阁，杜光辉，王天煜，等．高速电机发展与设计综述[J].电工技术学报，2016，v.31(07):5-22.[7]王凤翔．高速电机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报，2016,28(003):258-264.[8]YuY，HuangY，FeiP．PositionSensor-lessDriveofHigh-SpeedPermanentMagnetSynchronousMotor[C]//2018IEEEEnergyConversionCongressAndExposition(ECCE)．IEEE，Portland，OR，USA，2018：1358-1364.[9]赵云．交流电机高速化驱动关键控制技术研究[D].武汉：华中科技大学,2012.[10]BianchiN，BolognaniS，LuiseF．PotentialsandLimitsofHigh-SpeedPMMotors[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2004,40(6)：1570-1578.[11]BaileyC，SabanDM，Guedes-PintoP．DesignofHigh-Speed，Direct-Connected，Permanent-MagnetMotorsandGeneratorsforthePetrochemicalIndustry[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，2009,45(3)：1159-1165.[12]李建业．电动汽车用永磁同步电机驱动器设计[D].长沙：湖南大学,2012.[13]None．基本半导体发布国内首款工业级碳化硅MOSFET[J].变频器世界，2019(1):31-31.[14]HazraS，DeA，ChengL，etal．HighSwitchingPerformanceof1700-V,50-ASiCPowerMOSFETOverSiIGBT/Bi-MOSFETforAdvancedPowerConversionApplications[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2016,31(7):4742-4754.[15]MatsukawaT，ChikaraishiH，SatoY，etal．BasicstudyonconductivecharacteristicsofSiCpowerdeviceforitsapplicationtoAC/DCconverter[J].IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity，2004,14(2):690-692.[16]TanabeH，KojimaT，ImakiireA，etal．ComparisonperformanceofSi-IGBTandSiC-MOSFETusedforhighefficiencyinverterofcontactlesspowertransfersystem[C]//IEEEInternationalConferenceonPowerElectronics&DriveSystems.IEEE，Sydney，NSW,Australia，2015:2658-2663.[17]王莉，朱萍．新型宽带SiC功率器件在电力电子中的应用[J].南京航空航天大学学报,2014(4):524-532.[18]李新秀．SiCMOSFET研究及应用[D].北京:北京交通大学,2016.[19]朱尔隆．基于SiC模块的汽车电机驱动器研究[D].上海：上海交通大学,2018.[20]范文艳.基于SiC器件的快频脉冲TIG焊接电源研究[D].广州：华南理工大学，2019.[21]宋庆文.4H-SiC功率UMOSFETs的设计与关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.[22]TogashiR，InoueY，MorimotoS，etal．Performanceimprovementofultra-high-speedPMSMdrivesystembasedonDTCbyusingSiCinverter[C]//PowerElectronicsConference.IEEE，Hiroshima,Japan，2014：356-362.[23]QinH，XieH，ZhuZ，etal．ComparisonsofSiCandSidevicesforPMSMdrives[C]//2016IEEE8thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference(IPEMC-ECCEAsia).IEEE，Hefei,China，2016：891-896.[24]ZhaoT，WangJ，HuangAQ，etal．ComparisonsofSiCMOSFETandSiIGBTBasedMotorDriveSystems[C]//IndustryApplicationsConference.IEEE，NewOrleans,LA,USA,2007：331-335.[25]DbeissM，AvenasY，ZaraH．Comparisonoftheelectro-thermalconstraintsonSiCMOSFETandSiIGBTpowermodulesinphotovoltaicDC/ACinverters[J].MicroelectronicsReliability，2017,78(nov):65-71.[26]马策宇．SiC基逆变器在PMSM电机驱动中的高速开关行为研究[D].南京：南京航空航天大学,2018.[27]苏杭，姜燕，刘平，等．7.5kW电动汽车碳化硅逆变器设计[J].电源学报，2019，017(003):126-132.[28]张栋，范涛，温旭辉，等．电动汽车用高功率密度碳化硅电机控制器研究[J].中国电机工程学报，2019，39(19)：1-7.[29]Mahmoud，Masoud，ElArabawy．InverterFaultsInVariable