7月6日，英飞凌PCIM欧洲虚拟展台如期而至。
英飞凌展台：
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PCIM欧洲：
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氢燃料电池汽车
氢能源称为人类社会的“终极能源”，以氢燃料电池驱动的汽车，行驶过程中没有污染，只生成水。同时实现了加氢3分钟，续航超500公里，克服了里程焦虑。全球主流车企都在加紧布局氢燃料电池车的开发，丰田Mirai，本田Clarity，现代Nexo，上汽FCV80等氢燃料电池车已先后上市，这预示着燃料电池车辆将进入快速发展期。
根据电解质不同，燃料电池有多种类型，其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）综合性能最优，更加适合交通领域。作为一个横贯多学科的新技术，提升关键部件性能是PEMFC当前的主要发展路径，其中高速空压机的驱动器是电力电子相关的核心技术。
燃料电池高速空压机及技术挑战
图1. 典型燃料电池发动机系统
氢燃料电池，是一种利用电解水的逆反应将氢气、氧气转化为水并放出能量的过程，图1为典型燃料电池发动机示意图。燃料电池系统由电堆和BOP（Balance of Plant）构成。燃料电池BOP为电堆稳定运行提供了必要的外部环境，包括空气系统、冷却系统、增湿系统、功率输出控制等部分组成。空气系统占BOP总成本的40%，其功耗约占BOP总功耗的80%，空压机的功率配置是燃料电池系统功率的20%左右，因此提高空压机效率，降低成本是设计的重要目标。
空压机是空气循环系统的核心，其性能对燃料电池系统的效率、紧凑性等有着重要影响，在其他条件相同的情况下，一个与燃料电池系统匹配程度高的空气压缩机往往能直接提升燃料电池的整体性能。若将电堆比作燃料电池的“心脏”，那么空压机就是燃料电池的“肺”。
空压机的形式有多种，但离心式空压机具有最优的综合效果，是产业发展的主流方向。离心式空压机通过旋转的叶轮对气体作功，在叶轮和扩压器的流道内，利用离心升压和降速扩压作用，将机械能转换为气体压力能。燃料电池用离心式空压机具有“三高”属性：
（1）高转速。为了获得高压比和高功率密度，需要通过电力电子驱动器带动电机高速旋转以推动同轴叶轮。电机的额定转速通常在每分钟9-12万转，高转速对旋转部件产生极高的设计和工艺要求，也对电力电子驱动器的控制性能及稳定性产生了巨大的挑战。
（2）高性能。稳定的空气流能够保证精准的功率输出，并延长电堆寿命，为达到该要求，一般要求电机的转速波动控制在0.2%以内。电磁转矩的平稳性，也进一步降低了转子振动，提高轴系的稳定性并改善系统NVH特性。
（3）高效率。空压机作为燃料电池的主要耗能部件，要求全工况范围内高效率运行；同时，高速电机因损耗密度的增加给转子散热带来较普通电机更大的难度，影响电机性能和寿命。
上述“三高”属性给离心式空压机系统及其电力电子驱动器带来了巨大的技术挑战。
全碳化硅空压机控制器解决方案
当前，硅基器件普遍应用于电机驱动，但高速电机需要寻找一种更好的解决方案。在燃料电池应用中，高速空压机电机定子电感量小，由于硅基控制器开关适用频率较低，产生较大的电流纹波，波形质量、效率和控制稳定性不能很好满足燃料电池的高速电机应用。为解决这一问题，传统应用于空压机的硅基驱动器往往增加三相交流输出滤波器，这将使驱动系统体积增加、动态性能下降。实际应用中，该方案控制器体积甚至大于空压机本身，很难实现小型轻量化的车载应用。
近年来碳化硅MOSFET技术快速发展，成为了高速电机电力电子驱动器的功率层设计基础。致瞻科技SiCTeX™高端电力电子驱动器产品与技术平台，采用英飞凌CoolSIC™沟槽栅碳化硅MOSFET，结合FASTMove™先进控制算法，大大提高了系统性能，最高可实现4000Hz高频率输出，能驱动一对极电机达到240,000rpm超高转速。
图2为致瞻科技HS30全碳化硅电力电子驱动器。在HS30设计中，功率层的高开关频率融入独有的高速PWM调制算法及补偿技术，使HS30控制下的电机在没有输出滤波器情况下电流接近完美正弦，如图3所示。
图2. 致瞻科技全碳化硅高端电力电子驱动器HS30
电流谐波会产生谐波电磁力波动，进而引起电机振动，HS30控制的完美正弦波电流将极大减小电机轴端振动，根据实测，全转速范围内空压机电机的振动强度<1.5g，仅为传统IGBT驱动方案的1/3，大大改善了系统NVH特性。同时，空压机转速波动比传统方案低一个数量级，达到对氢燃料电池空气流的精准调节。
图3. 电机线电流@90000rpm
图4给出了HS30驱动的空压机在电机全转速范围内的电流波形，展现了电机从静止到30000rpm起飞继而爬升到95000rpm运行,再到两档降速直至静止的全过程。HS30显示了无与伦比的动态性和稳定性：在加速区间抑或减速阶段，低于“起飞”转速的运行时间均少于0.6s，这极大的减少了转子与轴承表面的接触时间，延长空气轴承寿命。整个宽转速运行过程中，系统稳定且鲁棒性强。
图4. 燃料电池空压机全转速范围运行
英飞凌的碳化硅MOSFET功率密度高，芯片面积只有同电流等级IGBT的1/3，对热设计要求高，致瞻科技独创的专利散热技术，控制器尺寸仅为传统硅基方案的1/3，功率密度可达25kW/L。通过对控制器电磁精确建模、仿真及优化设计，公司碳化硅控制器电磁兼容设计一举通过CISPR25的Class3等级。
致瞻科技SiCTeX™配备了英飞凌CoolSiC™，该产品一经推出，其高功率密度和高控制性能获得国内外客户的普遍认可，不仅斩获了国内燃料电池空压机头部企业的批量订单，并已出口到了德国。
致瞻科技（上海）有限公司是一家聚焦于中高端碳化硅驱动及应用的高科技公司，推出了SiCTeX等系列超高频碳化硅驱动器，详情请点击“阅读原文”。
关于英飞凌
英飞凌设计、开发、制造并销售各种半导体和系统解决方案。其业务重点包括汽车电子、工业电子、射频应用、移动终端和基于硬件的安全解决方案等。
英飞凌将业务成功与社会责任结合在一起，致力于让人们的生活更加便利、安全和环保。半导体虽几乎看不到，但它已经成为了我们日常生活中不可或缺的一部分。不论在电力生产、传输还是利用等方面，英飞凌芯片始终发挥着至关重要的作用。此外，它们在保护数据通信，提高道路交通安全性，降低车辆的二氧化碳排放等领域同样功不可没。
