關(guān)于碳化硅器件研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u22453關(guān)于碳化硅器件研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 1197701碳化硅器件的研究現(xiàn)狀 3220192碳化硅電機(jī)控制器研究現(xiàn)狀 4151182.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 470142.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 5253172.3電機(jī)控制策略的發(fā)展 619977參考文獻(xiàn) 7兩百年前，化石能源的大規(guī)模應(yīng)用使人類從農(nóng)耕文明階段進(jìn)入工業(yè)文明階段，在帶來人類社會(huì)快速發(fā)展的同時(shí)，也帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染和不可持續(xù)的能源危機(jī)。當(dāng)今，再生能源和新能源技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步，深刻影響著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展。作為推動(dòng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要組成力量，我國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在繁榮發(fā)展，推動(dòng)著純電動(dòng)汽車和插電式汽車向電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化等方向更加深入的探索。伴隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，催生了上萬億元的潛在市場(chǎng)。其中“三電”作為新能源汽車核心技術(shù)，其性能指標(biāo)決定了整車的主要技術(shù)指標(biāo)以及新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-4]。由于新能源汽車電機(jī)的體積以及儲(chǔ)存能量有限，同時(shí)在車輛運(yùn)行過程中可能存在頻繁的啟停，因此要求電機(jī)具有體積小、功率密度高以及具有良好的驅(qū)動(dòng)控制能力和過載性能，由于永磁同步電機(jī)具有效率轉(zhuǎn)換高、功率密度高等優(yōu)勢(shì)[5-11]，從而在新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[12]。表1-1半導(dǎo)體材料特性對(duì)比Table1-1Comparisonofcharacteristicsofsemiconductormaterials第一代第二代第三代材料特性SiGaAsSiCGaN熱導(dǎo)率1.50.54.92.5禁帶寬度1.121.433.263.39電子遷移率1350800010001200擊穿場(chǎng)強(qiáng)0.30.42.83.0飽和電子漂移速度1×1071×1072×1072×107作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，半導(dǎo)體功率器件是保證車輛運(yùn)行可靠、高效的關(guān)鍵部件之一。當(dāng)前車用功率器件基本采用以傳統(tǒng)Si材料為主的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為核心功率器件，但是隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)整車驅(qū)動(dòng)控制的小型化、輕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]，其電力電子性能已經(jīng)難以滿足新一代車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。隨著對(duì)第三代半導(dǎo)體技術(shù)研究的逐漸深入，SiC/GaN等具有更優(yōu)電氣性能的寬禁帶半導(dǎo)體[14-17]開始得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。表1-1和圖1-1是對(duì)不同半導(dǎo)體材料特性的對(duì)比，從中可以看出，碳化硅SiC是一種性能優(yōu)異、具有更好電氣性能的寬禁帶半導(dǎo)體。圖1-1：第一至三代半導(dǎo)體材料物理特性對(duì)比Figure1-1Comparisonofthephysicalpropertiesofthefirsttothirdgenerationsemiconductormaterials基于SiC的功率器件具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）耐壓等級(jí)高：SiC材料遠(yuǎn)超于Si材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，可以使SiC功率器件承更高的電壓等級(jí)，可以在高鐵、光伏發(fā)電等高電壓電力系統(tǒng)中得到應(yīng)用。（2）導(dǎo)通損耗小：SiC材料的電子遷移率低于Si材料，同電壓等級(jí)下SiC材料的漂移層阻抗低于Si材料，其電子飽和速度和禁帶寬度同樣高于Si材料，這些特性使得SiC功率器件具有極低的導(dǎo)通電阻，從而導(dǎo)通損耗也很小。（3）開關(guān)速度快：SiC材料的飽和電子漂移速度比較高，因此基于SiC功率器件的開關(guān)速度普遍比較快，一方面，更快的開關(guān)速度可以降低開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率，另一方面，開關(guān)速度的提升可以有效減少功率器件體積，提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率密度。（4）耐高溫：SiC材料熱導(dǎo)率比較高，因此器件的散熱能力更好，溫度上升更慢，可以減小散熱裝置的體積和重量，同時(shí)較高的禁帶寬度可以使SiC器件在高溫下仍保持穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)商用的SiC功率器件的熱擊穿溫度可以達(dá)到600℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅基功率器件的175℃。SiC材料以其優(yōu)秀的電氣特性以及在功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域巨大的潛力成為了當(dāng)前新能源汽車驅(qū)動(dòng)控制方向的研究重點(diǎn)和行業(yè)趨勢(shì)，因此探究基于碳化硅功率器件的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制對(duì)于新能源汽車驅(qū)動(dòng)控制具有十分重要的意義。1碳化硅器件的研究現(xiàn)狀以SiC功率器件為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)正蓬勃發(fā)展，2021年全球市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)約在10-15億左右，并且會(huì)以每年30%的速度高速增長(zhǎng)。由于碳化硅功率器件在電力電子技術(shù)以及新能源領(lǐng)域具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，因此各國(guó)研究人員對(duì)其進(jìn)行大量的研究，取得了很多成果。早在1992年，美國(guó)北卡州立大學(xué)就已經(jīng)研制首個(gè)擊穿電壓為400V的SiC-SBD，2001年首個(gè)基于SiC的肖特基二極管開始商業(yè)化運(yùn)用，標(biāo)志著SiC功率器件的研發(fā)逐漸由科研單位向企業(yè)轉(zhuǎn)移。2010年和2011年，日本的Rohm公司和CREE公司相繼推出商業(yè)化SiC-MOSFET，并投入量產(chǎn)，關(guān)于SiC功率器件的發(fā)展歷程如圖1-2所示。除此之外，歐洲的意法半導(dǎo)體（ST）、美國(guó)的艾賽思（IXYS）、美高森美（Microsemi）和日本的三菱電機(jī)（MitsubishiElectric）等公司對(duì)SiC功率器件的大規(guī)模應(yīng)用也做出了巨大貢獻(xiàn)[18-20]。圖1-2SiC功率器件發(fā)展歷程Figure1-2DevelopmenthistoryofSiCpowerdevices國(guó)內(nèi)對(duì)于SiC功率器件的研究始于上世紀(jì)末，經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)在器件的研發(fā)和制作上積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體廠商泰科天潤(rùn)在2015年推出的高性能SiC-SBD，其產(chǎn)品已經(jīng)在國(guó)際市場(chǎng)中占據(jù)14%的份額。在SiC-MOSFET方面，基本半導(dǎo)體在2018年10月正式發(fā)布的1200VSiC-MOSFET，是第一款由中國(guó)企業(yè)自主設(shè)計(jì)并通過可靠性測(cè)試的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，各方面性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。而且，近年來隨著國(guó)家對(duì)SiC產(chǎn)業(yè)的支持力度逐漸加大，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者相繼開展對(duì)SiC研制工藝制作的相關(guān)研究，2012年西安電子科技大學(xué)研制出850VSiC-UMOSFET器件[21]，中科院微電子研究所在2015年已經(jīng)研制出1700V/8ASiC-MOSFET器件，各方面性能指標(biāo)接近目前已經(jīng)大規(guī)模商用的第二代SiC-MOSFET，如圖1-3所示。雖然我國(guó)在SiC功率器件方面的研究以及商業(yè)化生產(chǎn)中已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是在器件性能等方面，與國(guó)際領(lǐng)先水平仍然存在差距。并且隨著我國(guó)正式提出“碳頂峰”、“碳中和”的概念，對(duì)于新能源智能化以及相關(guān)功率器件的需求更為突出，因此我國(guó)在SiC功率器件上國(guó)產(chǎn)化方面仍然有很長(zhǎng)的道路要走。圖1-3中科院微電子所研制的1200VSiC-MOSFET芯片照片F(xiàn)igure1-3Photosof1200Vand1700VSiC-MOSFETchipsdevelopedbyInstituteofMicroelectronics,ChineseAcademyofSciences2碳化硅電機(jī)控制器研究現(xiàn)狀由于SiC功率器件具有優(yōu)異的電氣特性，廣大科研工作者開始將SiC功率器件應(yīng)用到新能源電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域，希望能夠?qū)iC功率器件自身特性與新能源電驅(qū)控制需求相結(jié)合，促使新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到更好的發(fā)展和突破。2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，文獻(xiàn)[22]對(duì)比SiC-MOSFET和Si-IGBT同時(shí)采用直接轉(zhuǎn)矩控制情況下，使用無速度傳感器控制永磁同步電機(jī)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的死區(qū)時(shí)間情況下，基于SiC功率器件的電機(jī)控制器的電壓誤差僅是Si-IGBT的1/2，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)隨著死區(qū)時(shí)間的減小，SiC基電機(jī)控制器的電壓誤差和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也隨之減小。文獻(xiàn)[23]通過分別搭建基于SiC/Si的永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證SiC與Si在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用上的前景，通過對(duì)功率器件的損耗等狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基于SiC的電機(jī)控制器整體損耗降低一半，效率可以提升將近1.5%，在相同散熱條件下，SiC-MOSFET的散熱器體積更小,可以進(jìn)一步提升功率密度，文獻(xiàn)[24]兩種基于全碳化硅功率模塊和全硅基功率模塊的60kw電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。分析計(jì)算兩種采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制的逆變器的功率損耗。通過對(duì)兩種系統(tǒng)的效率、尺寸和溫度的比較，驗(yàn)證SiC器件具有損耗小、效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[25]分別搭建Si/SiC基電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在最大550V的電源電壓和最高20A的負(fù)載電流下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)SiCMOSFET逆變器的電壓變化率是SiIGBT逆變器的兩倍。在商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，2016年特斯拉推出的Model3就采用全碳化硅功率模塊，也是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企，Model3的逆變器是由48顆SiC-MOSFET構(gòu)成，如圖1-4所示?？偣β士梢赃_(dá)到300kW，功率密度提升到82kW/h，百公里加速3.83s，作為全世界最知名的新能源車企，特斯拉采用全碳化硅功率器件實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，帶動(dòng)全球碳化硅產(chǎn)業(yè)的快速革新和發(fā)展。圖1-4特斯拉Model3全碳化硅逆變器Figure1-4TeslaModel3fullsiliconcarbideinverter2020年12月9日，日本豐田推出第二代Mirai燃料電池電動(dòng)汽車，該車采用日本電裝研發(fā)的新一代功率碳化硅功率半導(dǎo)體技術(shù)，可以將SiC功率器件應(yīng)用到車載中，為車載環(huán)境提供高可靠性和高性能性，與配備有Si功率半導(dǎo)體的傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，配備SiC功率半導(dǎo)體（二極管和晶體管）的新型功率半導(dǎo)體模塊的體積縮小約30％，功耗降低約70％，有助于減小增壓動(dòng)力模塊，提高車輛功率轉(zhuǎn)換效率。2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀南京航空航天大學(xué)的秦海鴻教師團(tuán)隊(duì)分別搭建SiC基和Si基電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于SiC-MOSFET的電機(jī)控制器比基于Si-IGBT的電機(jī)控制器具有更快的開關(guān)速度和更高的結(jié)溫能力[26]。文獻(xiàn)[27]基于SiC-MOSFET設(shè)計(jì)了三相逆變器的主電路和驅(qū)動(dòng)電路，該樣機(jī)采用風(fēng)冷散熱進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化以減少PCB板的寄生參數(shù)，最后研制的7.5KW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開關(guān)頻率為100kHZ，理論效率達(dá)到97.5%，文獻(xiàn)[28]通過對(duì)MOSFET芯片并聯(lián)結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)包含72個(gè)SiC芯片的SiC-MOSFE模塊，成功開發(fā)超緊湊主控板和緊湊型驅(qū)動(dòng)板，減小了電子系統(tǒng)的體積，研制的SiC控制器樣機(jī)峰值功率85KW，開關(guān)頻率20KHZ，樣機(jī)最高工作效率可達(dá)98.6%，功率密度可得到37.1KW/L，如圖1-5所示，為我國(guó)在新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域積累了有競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)和寶貴的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[19]針對(duì)基于SiC模塊的汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)際需求，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)三態(tài)矢量調(diào)制技術(shù)，在利用DSP設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中完善了對(duì)不同調(diào)制技術(shù)的驗(yàn)證。2018年10月，中車株車所研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SiC電動(dòng)控制器項(xiàng)目完整樣機(jī)研制，該項(xiàng)目基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“新能源汽車”重點(diǎn)專項(xiàng)，產(chǎn)品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足要求。圖1-5文獻(xiàn)28設(shè)計(jì)的試驗(yàn)樣機(jī)Figure1-5TheexperimentalprototypedesignedinReference282020年7月，由比亞迪自主研發(fā)的全碳化硅功率模塊應(yīng)用在漢EV純電動(dòng)汽車上，全碳化硅功率模塊的應(yīng)用使電機(jī)的輸出功率可達(dá)200kW，比以往全硅基電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提升了一倍的功率密度，同時(shí)整車百公里加速度僅為3.9秒，較之采用傳統(tǒng)硅基IGBT芯片的上一代純電動(dòng)汽車高于0.5秒。2.3電機(jī)控制策略的發(fā)展（1）恒壓頻比控制VF在電機(jī)調(diào)速過程中，為了保持氣隙磁通不變，使定子相電壓與頻率的比值為的控制方式稱為恒壓頻比控制。恒壓頻比控制可以在輸出頻率的同時(shí)調(diào)整輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，但是由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡(jiǎn)單，只對(duì)電壓的大小和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，沒有對(duì)電壓的相位進(jìn)行控制，因此控制精度有所降低；同時(shí)不適合工作在波動(dòng)較大的場(chǎng)合，因此普遍應(yīng)用在一般調(diào)速系統(tǒng)中[29-30]。（2）矢量控制：上世紀(jì)70年代初，德國(guó)學(xué)者首次提出交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的方法。其原理是參照直流電機(jī)的控制方式，在坐標(biāo)變化的前提下，對(duì)交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，由于這2個(gè)電流是相互獨(dú)立的，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)精準(zhǔn)的速度和轉(zhuǎn)矩控制[31]。由于在處理過程中需要將電機(jī)中的參量以矢量的形式表示，因此被稱為矢量控制。由于矢量控制需要對(duì)交流電機(jī)的三相電壓電流進(jìn)行坐標(biāo)變化，在這個(gè)過程中會(huì)涉及到復(fù)雜的坐標(biāo)變換，同時(shí)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩需要相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制，在實(shí)際應(yīng)用中交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特性受控制策略的影響較大，因此矢量控制需要高性能的數(shù)字處理器和合適的參數(shù)整定算法來實(shí)現(xiàn)。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制DTC針對(duì)矢量控制在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，1985年德國(guó)學(xué)者提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論，該控制方案采取定子磁鏈定向的方法，對(duì)電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩直接控制，該方法沒有采用坐標(biāo)變換，而是直接在電機(jī)定子坐標(biāo)上進(jìn)行控制，因此簡(jiǎn)化了控制器結(jié)構(gòu)，但是因?yàn)榭焖俚霓D(zhuǎn)矩響應(yīng)會(huì)帶來過高的沖擊電流，進(jìn)而對(duì)功率開關(guān)帶來負(fù)面影響，因此直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)能力十分有限。不管是電機(jī)的矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制，都需要設(shè)定控制器對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)整定，而由于PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在電機(jī)控制領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但是永磁同步電機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，PID控制這種線性組合控制并不是一個(gè)很好的選擇。為了擴(kuò)展PID在電機(jī)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，廣大研究人員將滑?？刂啤⒆赃m應(yīng)控制以及其他智能控制理論與傳統(tǒng)PID相結(jié)合，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)PID控制的不足。其中滑模變結(jié)構(gòu)控制是一個(gè)種非線性控制方式，內(nèi)部滑動(dòng)模態(tài)可進(jìn)行設(shè)計(jì)，其對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)的變化以及對(duì)外部的擾動(dòng)不靈敏，因此具有很強(qiáng)的魯棒性，同時(shí)具有調(diào)節(jié)參數(shù)少、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)傳統(tǒng)PI控制在永磁同步電機(jī)中的缺陷，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制與矢量控制相結(jié)合用于電機(jī)速度環(huán)的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，以期提高永磁同步電機(jī)速度控制的響應(yīng)速度和精度，成為提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的有效方法之一。碳化硅功率器件現(xiàn)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用還比較少，文獻(xiàn)[32]在永磁同步電機(jī)空間矢量DTC中，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)用Super-twisting非奇異快速終端滑?？刂破鬟M(jìn)行控制，并在Matlab/Simulink中搭建控制矢量仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，可以提高相應(yīng)速度，但是由于空間矢量DTC控制自身的特點(diǎn)，使得電機(jī)內(nèi)部參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，從而影響到電機(jī)的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[19]搭建基于SiC模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以FOC矢量控制作為研究對(duì)象，采用Id=0和MTPA2種控制相結(jié)合的方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，搭建仿真模型驗(yàn)證算法和參數(shù)整定的準(zhǔn)確性，但是基于傳統(tǒng)PI控制的Id=0控制方式由于對(duì)外界干擾敏感的影響，當(dāng)負(fù)載突變的時(shí)候電機(jī)的相應(yīng)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。因此，基于以上的分析，本文采用FOC矢量控制作為主要控制算法，同時(shí)結(jié)合滑?？刂频膬?yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行改良，研究矢量控制系統(tǒng)在基于SiC-MOSFT電機(jī)控制器中的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1]徐瓊．改善永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)弱磁控制性能的方法研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2013.[2]BadawyMoHusainT，SozerY，etal．IntegratedControlofanIPMMotorDriveandHybridEnergyStorageSystemforElectricVehicles[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2017,53(6)：5810-5819.[3]王震坡，黎小慧，孫逢春．產(chǎn)業(yè)融合背景下的新能源汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020,40(01):1-10.[4]王學(xué)梅．寬禁帶碳化硅功率器件在電動(dòng)汽車中的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2018,34(0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