內(nèi)容提要

燃料電池用空壓機(jī)開關(guān)頻率高，空間有限，集成度高，采用單管設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是如何提高散熱效率。本設(shè)計中功率器件和散熱器采用DBC+焊接工藝，提高了SiC MOSFET的輸出電流能力，從而有效降低了系統(tǒng)成本的，并且簡化安裝方式。

氫能源稱為人類社會的“終極能源”，以氫燃料電池驅(qū)動的汽車，行駛過程中沒有污染，只生成水。燃料電池系統(tǒng)由電堆和BOP（Balance of Plant）構(gòu)成。燃料電池BOP為電堆穩(wěn)定運(yùn)行提供了必要的外部環(huán)境，包括空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、功率輸出控制等部分組成。

由于大功率燃料電池工作時需要消耗大量的氧氣，這就需要高速空壓機(jī)輸送大量的空氣。空壓機(jī)的作用對空氣進(jìn)行增壓，為燃料電池電堆提供合適流量、溫度、壓力、濕度的潔凈空氣，滿足電堆的功率輸出需求。空壓機(jī)是空氣循環(huán)系統(tǒng)的核心，其性能對燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性等有著重要影響。

常用的空壓機(jī)主要有離心式、螺桿式、渦旋式等，根據(jù)不同的燃料電池選擇不同類型的空壓機(jī)。其中離心式空壓機(jī)由于轉(zhuǎn)速高、尺寸小、質(zhì)量輕等特點，目前被廣泛采用；由于電機(jī)最高轉(zhuǎn)速超過15萬rpm，空壓機(jī)電機(jī)控制器的輸出頻率超過2500Hz，功率器件需要很高的開關(guān)頻率（超過50kHz），因此SiC-MOSFET是這類應(yīng)用的首選器件。

本項目空壓機(jī)系統(tǒng)基本參數(shù)如下：

電機(jī)種類：永磁電機(jī)（一對極）

輸出功率：25kW

輸出電流：70A

最高轉(zhuǎn)速：150,000rpm

輸入電壓：DC450~750V

控制器最高效率：>98%

01

焊接技術(shù)降低系統(tǒng)熱阻

本項目是動力源新能源主導(dǎo)，晶川聯(lián)合參與開發(fā)。功率器件采用英飛凌的CoolSiC MOSFET IMW120R030M1H。拓?fù)淙鐖D1所示，兩個CoolSiC MOSFET并聯(lián)以實現(xiàn)25kW的輸出功率。

圖1.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

IMW120R030M1H器件采用TO-247封裝，管殼背面是裸露的金屬，有利于散熱但不絕緣，因此首先面臨的問題是在滿足絕緣要求的情況下盡可能的降低熱阻，從而滿足高功率密度要求。原始的散熱方式為陶瓷+兩面導(dǎo)熱硅脂+壓接，接口熱阻0.1K/W，熱硅脂的熱阻占比超過90%。為了進(jìn)一步降低接口熱阻，有必要采用高導(dǎo)熱材料替代導(dǎo)熱硅脂，優(yōu)化這部分熱阻分布，本項目采用敷銅陶瓷（DBC）+焊接技術(shù)，接口熱阻降低到0.011K/W，接口熱阻降低89%。敷銅陶瓷（DBC）+焊接技術(shù)的方式不需要壓接環(huán)節(jié)，因此可以簡化組裝工藝。

圖2.陶瓷+硅脂 和 DBC+焊接示意圖

圖3.兩種導(dǎo)熱絕緣方式熱阻對比

圖4.采用焊接方式的TO-247

圖5.空壓機(jī)控制器實物

02

基于滑膜觀測器的估算模型

實現(xiàn)精確位置控制

由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速高、空間小，不便于安裝角度傳感器，因此控制器采用基于滑膜觀測器的估算模型對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計。在啟動階段，電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，反電動勢較小，滑膜觀測器無法準(zhǔn)確估算轉(zhuǎn)子位置。控制器采用“轉(zhuǎn)速環(huán)+IF控制”方式來完成電機(jī)啟動。在IF控制方式下電流處于閉環(huán)受控狀態(tài)，電流矢量的角度為虛擬角度，來自于給定轉(zhuǎn)速的積分，電流的期望幅值來自于轉(zhuǎn)速環(huán)路的輸出；電機(jī)運(yùn)行至一定轉(zhuǎn)速后，將虛擬角度切換至估算的實際轉(zhuǎn)子角度。啟動過程如圖所示。

圖6.啟動階段電流波形

由于空壓機(jī)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速比較高，是燃料電池系統(tǒng)最主要的噪音源；因此如何降低空壓機(jī)系統(tǒng)的噪音是一個挑戰(zhàn)。本項目通過優(yōu)化開關(guān)頻率、死區(qū)時間等措施優(yōu)化電流波形（高速電流波形如圖7），進(jìn)而改善高速帶載的噪音。

圖7.高速帶載波形

03

DBC+焊接工藝提升系統(tǒng)輸出能力

為了評估熱性能，在SiC MOSFET管殼上方粘貼熱電偶，分別針對陶瓷+硅脂、DBC+焊接兩種方案分析了進(jìn)行了對比測試，測試對比結(jié)果詳見圖8。測試結(jié)果表明：在相同的散熱條件下，隨著輸出電流上升，兩種方案之間的溫差逐步增大。當(dāng)輸出電流為90A時，DBC+焊接方案殼溫比陶瓷+硅脂的方案殼溫低24.8℃。由此可見，采用焊接的方式可以有效降低系統(tǒng)熱阻，提高系統(tǒng)輸出能力。

圖8.陶瓷+硅脂和DBC+焊接測試對比

04

總結(jié)

綜上，可以看到，對于空壓機(jī)這樣高壓高頻的應(yīng)用，CoolSiC MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)極低的導(dǎo)通阻抗與方便靈活的驅(qū)動方式，DBC+焊接方式能夠?qū)崿F(xiàn)極低的熱阻，基于滑膜觀測器的估算模型能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位置控制，實現(xiàn)了高性能的控制功能，滿足氫燃料電池空壓機(jī)的特殊要求。