7月6日，英飛凌PCIM歐洲虛擬展臺如期而至。
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氫燃料電池汽車
氫能源稱為人類社會的“終極能源”，以氫燃料電池驅動的汽車，行駛過程中沒有污染，只生成水。同時實現了加氫3分鐘，續航超500公里，克服了里程焦慮。全球主流車企都在加緊布局氫燃料電池車的開發，豐田Mirai，本田Clarity，現代Nexo，上汽FCV80等氫燃料電池車已先后上市，這預示著燃料電池車輛將進入快速發展期。
根據電解質不同，燃料電池有多種類型，其中質子交換膜燃料電池（PEMFC）綜合性能最優，更加適合交通領域。作為一個橫貫多學科的新技術，提升關鍵部件性能是PEMFC當前的主要發展路徑，其中高速空壓機的驅動器是電力電子相關的核心技術。
燃料電池高速空壓機及技術挑戰
圖1. 典型燃料電池發動機系統
氫燃料電池，是一種利用電解水的逆反應將氫氣、氧氣轉化為水并放出能量的過程，圖1為典型燃料電池發動機示意圖。燃料電池系統由電堆和BOP（Balance of Plant）構成。燃料電池BOP為電堆穩定運行提供了必要的外部環境，包括空氣系統、冷卻系統、增濕系統、功率輸出控制等部分組成?？諝庀到y占BOP總成本的40%，其功耗約占BOP總功耗的80%，空壓機的功率配置是燃料電池系統功率的20%左右，因此提高空壓機效率，降低成本是設計的重要目標。
空壓機是空氣循環系統的核心，其性能對燃料電池系統的效率、緊湊性等有著重要影響，在其他條件相同的情況下，一個與燃料電池系統匹配程度高的空氣壓縮機往往能直接提升燃料電池的整體性能。若將電堆比作燃料電池的“心臟”，那么空壓機就是燃料電池的“肺”。
空壓機的形式有多種，但離心式空壓機具有最優的綜合效果，是產業發展的主流方向。離心式空壓機通過旋轉的葉輪對氣體作功，在葉輪和擴壓器的流道內，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械能轉換為氣體壓力能。燃料電池用離心式空壓機具有“三高”屬性：
（1）高轉速。為了獲得高壓比和高功率密度，需要通過電力電子驅動器帶動電機高速旋轉以推動同軸葉輪。電機的額定轉速通常在每分鐘9-12萬轉，高轉速對旋轉部件產生極高的設計和工藝要求，也對電力電子驅動器的控制性能及穩定性產生了巨大的挑戰。
（2）高性能。穩定的空氣流能夠保證精準的功率輸出，并延長電堆壽命，為達到該要求，一般要求電機的轉速波動控制在0.2%以內。電磁轉矩的平穩性，也進一步降低了轉子振動，提高軸系的穩定性并改善系統NVH特性。
（3）高效率。空壓機作為燃料電池的主要耗能部件，要求全工況范圍內高效率運行；同時，高速電機因損耗密度的增加給轉子散熱帶來較普通電機更大的難度，影響電機性能和壽命。
上述“三高”屬性給離心式空壓機系統及其電力電子驅動器帶來了巨大的技術挑戰。
全碳化硅空壓機控制器解決方案
當前，硅基器件普遍應用于電機驅動，但高速電機需要尋找一種更好的解決方案。在燃料電池應用中，高速空壓機電機定子電感量小，由于硅基控制器開關適用頻率較低，產生較大的電流紋波，波形質量、效率和控制穩定性不能很好滿足燃料電池的高速電機應用。為解決這一問題，傳統應用于空壓機的硅基驅動器往往增加三相交流輸出濾波器，這將使驅動系統體積增加、動態性能下降。實際應用中，該方案控制器體積甚至大于空壓機本身，很難實現小型輕量化的車載應用。
近年來碳化硅MOSFET技術快速發展，成為了高速電機電力電子驅動器的功率層設計基礎。致瞻科技SiCTeX?高端電力電子驅動器產品與技術平臺，采用英飛凌CoolSIC?溝槽柵碳化硅MOSFET，結合FASTMove?先進控制算法，大大提高了系統性能，最高可實現4000Hz高頻率輸出，能驅動一對極電機達到240,000rpm超高轉速。
圖2為致瞻科技HS30全碳化硅電力電子驅動器。在HS30設計中，功率層的高開關頻率融入獨有的高速PWM調制算法及補償技術，使HS30控制下的電機在沒有輸出濾波器情況下電流接近完美正弦，如圖3所示。
圖2. 致瞻科技全碳化硅高端電力電子驅動器HS30
電流諧波會產生諧波電磁力波動，進而引起電機振動，HS30控制的完美正弦波電流將極大減小電機軸端振動，根據實測，全轉速范圍內空壓機電機的振動強度<1.5g，僅為傳統IGBT驅動方案的1/3，大大改善了系統NVH特性。同時，空壓機轉速波動比傳統方案低一個數量級，達到對氫燃料電池空氣流的精準調節。
圖3. 電機線電流@90000rpm
圖4給出了HS30驅動的空壓機在電機全轉速范圍內的電流波形，展現了電機從靜止到30000rpm起飛繼而爬升到95000rpm運行,再到兩檔降速直至靜止的全過程。HS30顯示了無與倫比的動態性和穩定性：在加速區間抑或減速階段，低于“起飛”轉速的運行時間均少于0.6s，這極大的減少了轉子與軸承表面的接觸時間，延長空氣軸承壽命。整個寬轉速運行過程中，系統穩定且魯棒性強。
圖4. 燃料電池空壓機全轉速范圍運行
英飛凌的碳化硅MOSFET功率密度高，芯片面積只有同電流等級IGBT的1/3，對熱設計要求高，致瞻科技獨創的專利散熱技術，控制器尺寸僅為傳統硅基方案的1/3，功率密度可達25kW/L。通過對控制器電磁精確建模、仿真及優化設計，公司碳化硅控制器電磁兼容設計一舉通過CISPR25的Class3等級。
致瞻科技SiCTeX?配備了英飛凌CoolSiC?，該產品一經推出，其高功率密度和高控制性能獲得國內外客戶的普遍認可，不僅斬獲了國內燃料電池空壓機頭部企業的批量訂單，并已出口到了德國。
致瞻科技（上海）有限公司是一家聚焦于中高端碳化硅驅動及應用的高科技公司，推出了SiCTeX等系列超高頻碳化硅驅動器，詳情請點擊“閱讀原文”。
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