随着乘用车的电动化，众多的应用开始采用零排放的理念。应用的多样性也意味着电机和控制器系统的多样性。例如，汽车或工业电力驱动、P0-P4轻度混合动力系统或液压泵的解决方案就对电机有截然不同的要求，用简单的kW值来衡量是不够的。逆变器的功能必须与整个车辆控制的架构、功率等级和车辆生命周期运行条件相匹配。
对于300V-900V电压的逆变器系统，有许多高压功率模块可供选择。但对于24V-144V的低压系统，情况就不是这样了。设计者面临着新设计从零开始的情况：除了一些显而易见的运行参数调整，机电设计更是一个挑战。如何设计功率线路？如何设计内部连接？如何进行热流设计和监测温度？如何优化导通和开关损耗？低压功率模块的缺乏有技术原因，现在也有了解决方案。下文将从两个方面讨论低电压MOSFET逆变器设计：寄生电感对性能的影响和热设计的重要性。
寄生电感对性能的影响
对比HV和LV逆变器的工作条件，低压模块较少的原因就很明显了。毫无疑问，HV逆变器确实能提供较高的功率。它们工作电压很高，通常比LV逆变器对应的电压高10倍。然而，高功率也需要高电流。HV和LV逆变器的额定电流相当。这些电流与系统组件的寄生电感相耦合，从而产生了电感存储的寄生能量。这些能量与电压无关，因此对于高压和低压系统来说是相等的。这些寄生能量需要在逆变器的开关过程中进行处理和耗散，从而产生开关电压尖峰。在高压逆变器中，由于半导体开关的额定电压较高，几百伏的电压尖峰通常是可以接受的。在低压逆变器中，功率半导体的电压裕度小了10倍左右，因此不可能处理相同量级的寄生能量。由传统半导体模块与外部电容组合而成的逆变器寄生电感实在太高，以至于它无法正常工作。这就是为什么低压 MOSFET模块不常见的原因。
由于缺乏现成的合格模块，低压MOSFET逆变器是由单独的组件构建而成的。低压逆变器功率部分的关键因素是寄生电感，DC-link电容器和MOSFET半桥电路之间的电气连接形成的电感。为了使其正常工作，MOSFET半桥电路和DC-link电容必须在电气上尽可能地接近，距离越小越好。除了寄生电感外，寄生电阻、分布电阻和平衡效应都能从小型化中获益。让新的逆变器设计尽可能地解决上述所有问题是一项复杂的任务，尤其耗费时间和成本。
图1：逆变器布局中寄生电阻和电感的回路概念图
SKAI 3 LV是应对上述挑战的最合适的产品。它包含了低压MOSFET功率模块，DC-link电容，功率布线，门极驱动器和封装外壳。它遵循了上述所有设计要求，系统只需要再增加一个控制板即可工作。
精确模拟系统温度的热模型
当逆变器设计完成后，接下来要关注、预测和控制的就是温度，它是平衡功率和寿命的工具。温度，尤其是功率半导体反复的温度变化对热应力的影响最大，从而决定了产品的寿命。寿命对温度变化的依赖性非常强，而且是高度非线性的。如果测量和估算温度误差有好几度，结果就是实际寿命和估算寿命之间的巨大差异。同时这也会导致逆变器尺寸过大、成本过高，或者导致系统压力过大，无法达到计划寿命。因此，精确模拟系统温度的热模型是必要的。在设计阶段，以电动汽车为例，它能帮助优化整个汽车系统中的逆变器集成、平衡输出功率，寿命和冷却系统设计。同样的模型在汽车以后的常规运行中，也可以用来计算关键系统的温度。
对于SKAI 3 LV，根据冷却条件和负载条件，推导出可以预测功率开关和电容器温度的热模型。如图2所示，即使在输出电流快速变化的情况下，与测量值相比，400秒后的精度误差也可达到<2℃。这样就可以评估所需的环境和冷却条件，并预测基于任何类型负载周期的可实现寿命。通过相同的基本模型，即使在高动态条件下，运行中的温度计算也是可能的，例如负载阶跃，来自单独的传感器的参考温度太慢也不准确。现在使用Foster模型方法，一种数学形式的模型，用户可以很容易在系统控制环路中实现精确的热计算。
图2：高动态负载周期下MOSFET和电容器的模拟温度
赛米控的SKAI 3 LV 第三代基于MOSFET的逆变器，在非常小的体积内提供高功率，同时为系统集成留下最大的灵活性。在功率损耗和温度计算模型的支持下，可满足广泛的应用要求。功率密度超过25kVA/l，总体积小于1.8l，该设计的标准外壳适用于大多数应用。如果客户对空间、冷却或电源连接器有特殊的设计要求，这个方案是个性化设计的完美起点。
客户的控制器和门极驱动器之间的接口简单易用，只需要一个13V电源。反馈的控制信号已经有电压标度。电流和温度传感器连接到单独的连接器，以保持电气隔离。
为了简化控制器和软件设计，我们提供了一个专用的外壳，在设计过程中可以方便地访问控制器-PCB，它已经实现了功率部分的全部功能。
SKAI 3 LV产品系列覆盖标称24V到144V DC的电池电压，涵盖了工业应用中的典型电池和大多数车辆的电池电压范围。
