【導讀】燃料電池用空壓機開關頻率高，空間有限，集成度高，采用單管設計的主要挑戰是如何提高散熱效率。本設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，從而有效降低了係統成本的
，並且簡化安裝方式。

氫能源稱為人類社會的“終極能源”，以氫燃料電池驅動的汽車，行駛過程中沒有汙染，隻生成水。燃料電池係統由電堆和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
，包括空氣係統、冷卻係統、增濕係統、功率輸出控製等部分組成。

由you於yu大da功gong率lv燃ran料liao電dian池chi工gong作zuo時shi需xu要yao消xiao耗hao大da量liang的de氧yang氣qi，這zhe就jiu需xu要yao高gao速su空kong壓ya機ji輸shu送song大da量liang的de空kong氣qi。空kong壓ya機ji的de作zuo用yong對dui空kong氣qi進jin行xing增zeng壓ya，為wei燃ran料liao電dian池chi電dian堆dui提ti供gong合he適shi流liu量liang、溫度、壓力
、濕度的潔淨空氣

，滿足電堆的功率輸出需求。空壓機是空氣循環係統的核心
，其性能對燃料電池係統的效率、緊湊性等有著重要影響。

常用的空壓機主要有離心式、螺杆式
、渦旋式等，根據不同的燃料電池選擇不同類型的空壓機。其中離心式空壓機由於轉速高、尺寸小、質量輕等特點，目前被廣泛采用；由於電機最高轉速超過15萬rpm，空壓機電機控製器的輸出頻率超過2500Hz，功率器件需要很高的開關頻率（超過50kHz），因此SiC-MOSFET是這類應用的首選器件。

本項目空壓機係統基本參數如下：

●    電機種類：永磁電機（一對極）

●    輸出功率：25kW

●    輸出電流：70A

●    最高轉速：150,000rpm

●    輸入電壓：DC450~750V

●    控製器最高效率：>98%

01 焊接技術降低係統熱阻

本項目是動力源新能源主導，晶川聯合參與開發。功率器件采用英飛淩的CoolSiC™ MOSFET IMW120R030M1H。拓撲如圖1所示，兩個CoolSiC™ MOSFET並聯以實現25kW的輸出功率。

圖1.拓撲結構圖

IMW120R030M1H器件采用TO-247fengzhuang
，guankebeimianshiluoludejinshu，youliyusanredanbujueyuan，yincishouxianmianlindewentishizaimanzujueyuanyaoqiudeqingkuangxiajinkenengdejiangdirezu
，congermanzugaogonglvmiduyaoqiu。yuanshidesanrefangshiweitaoci+兩麵導熱矽脂+壓接，接口熱阻0.1K/W

，熱矽脂的熱阻占比超過90%。為了進一步降低接口熱阻，有必要采用高導熱材料替代導熱矽脂，優化這部分熱阻分布，本項目采用敷銅陶瓷（DBC）+焊接技術，接口熱阻降低到0.011K/W，接口熱阻降低89%。敷銅陶瓷（DBC）+焊接技術的方式不需要壓接環節
，因此可以簡化組裝工藝。

圖2.陶瓷+矽脂 和 DBC+焊接示意圖

圖3.兩種導熱絕緣方式熱阻對比

圖4.采用焊接方式的TO-247

圖5.空壓機控製器實物

02 基於滑膜觀測器的估算模型實現精確位置控製

由於電機的轉速高
、空(kong)間(jian)小(xiao)，不(bu)便(bian)於(yu)安(an)裝(zhuang)角(jiao)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，因(yin)此(ci)控(kong)製(zhi)器(qi)采(cai)用(yong)基(ji)於(yu)滑(hua)膜(mo)觀(guan)測(ce)器(qi)的(de)估(gu)算(suan)模(mo)型(xing)對(dui)電(dian)機(ji)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)進(jin)行(xing)估(gu)計(ji)。在(zai)啟(qi)動(dong)階(jie)段(duan)，電(dian)機(ji)轉(zhuan)速(su)較(jiao)低(di)
，反(fan)電(dian)動(dong)勢(shi)較(jiao)小(xiao)，滑(hua)膜(mo)觀(guan)測(ce)器(qi)無(wu)法(fa)準(zhun)確(que)估(gu)算(suan)轉(zhuan)子(zi)位(wei)置(zhi)。控(kong)製(zhi)器(qi)采(cai)用(yong)“轉速環+IF控製”方式來完成電機啟動。在IF控製方式下電流處於閉環受控狀態，電流矢量的角度為虛擬角度，來自於給定轉速的積分，電流的期望幅值來自於轉速環路的輸出；電機運行至一定轉速後
，將虛擬角度切換至估算的實際轉子角度。啟動過程如圖所示。

圖6.啟動階段電流波形

由於空壓機電機工作轉速比較高
，是燃料電池係統最主要的噪音源；因此如何降低空壓機係統的噪音是一個挑戰。本項目通過優化開關頻率、死區時間等措施優化電流波形（高速電流波形如圖7）
，進而改善高速帶載的噪音。

圖7.高速帶載波形

03 DBC+焊接工藝提升係統輸出能力

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+矽脂、DBC+焊接兩種方案分析了進行了對比測試
，測試對比結果詳見圖8。測試結果表明：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。當輸出電流為90A時，DBC+焊接方案殼溫比陶瓷+矽脂的方案殼溫低24.8℃。由此可見
，采用焊接的方式可以有效降低係統熱阻，提高係統輸出能力。

圖8.陶瓷+矽脂和DBC+焊接測試對比

04 總結  

綜上，可以看到，對於空壓機這樣高壓高頻的應用，CoolSiC™ MOSFET能夠實現極低的導通阻抗與方便靈活的驅動方式
，DBC+焊(han)接(jie)方(fang)式(shi)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)極(ji)低(di)的(de)熱(re)阻(zu)，基(ji)於(yu)滑(hua)膜(mo)觀(guan)測(ce)器(qi)的(de)估(gu)算(suan)模(mo)型(xing)能(neng)夠(gou)實(shi)現(xian)精(jing)確(que)的(de)位(wei)置(zhi)控(kong)製(zhi)
，實(shi)現(xian)了(le)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)
，滿(man)足(zu)氫(qing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)空(kong)壓(ya)機(ji)的(de)特(te)殊(shu)要(yao)求(qiu)。

來源：英飛淩
，原創：動力源，晶川電子  

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