来自中科院的温旭辉！采用碳化硅器件提高新能源汽车电驱动系统技术水平是发展趋势

【报道】9月7日，在第四届全球新能源与智能汽车供应链创新大会上，温旭辉主任研究员中国科学院电工研究所研究人员利用碳化硅器件的高温、高频、高效特性大幅提高新能源汽车电驱动系统的技术水平是发展趋势，其中功率模块和控制器集成技术是研发热点。

以下为中国科学院电工研究所所长温旭辉讲话实录： 我的讲话分为四个部分。

首先简单回顾一下，到目前为止，我们对于新能源汽车，也就是电动汽车的研究，在中国是不断进行的。

首先是科研部门和大学目前主要从事企业的快速发展。

因此，正如谢主任刚才总结的那样，电动化、智能化、网联化是相互赋能的。

因此，到今年，新能源汽车的年保有量渗透率已经超过22%，谢主任的统计在20%左右。

总体而言，势头非常强劲。

接下来我给大家介绍一下我的专业，就是电力驱动。

大家都知道，电动汽车的电力驱动是“三电”的关键技术之一。

我们一开始真正做的就是从电机控制到驱动控制。

现在我们把变速箱放在一起，谈谈电力驱动系统。

一般来说，还必须包括机械传动，这是新能源汽车动力的核心。

动力是否强劲以及NVH的好坏与电机驱动有着非常密切的关系。

从我们的科学研究来看，随着技术的发展，学科交叉的特点越来越明显，技术难度越来越大，产业链不断延伸。

就像我们今天的汽车厂商一样，也许大家也会关心芯片。

，以及芯片的质量。

对于电力驱动系统来说，当前和未来的发展趋势可以概括为“四高”，即高密度、高能效、高质量、高可靠性。

今天我将重点讨论高密度。

电机方面，我列出了这些产品。

汽车电机驱动系统的一个显着特点是转速越来越高。

一些路线图估计它将达到20,000 rpm以上，甚至30,000 rpm。

为什么？因为在电机设计领域，有一个非常著名的公式。

如何从总质量计算出每单位重量的功率？以上是可以产生多少电力。

分母的分数线一般更受材料的限制。

，当材质和传热一定时，只要提高青速度，就非常有效。

是正比例关系，功率可以直接增大。

这就是为什么电机越来越快的原因。

但下一步应该更多地关注汽车制造商和变速器，并且速度必须降低。

总体来说，机械传动在效率和功率密度方面还是很可靠的，而且速度高仍然是优势。

现在主要生产厂家为0，比以前增加很多。

我们还将看到 20,000 rpm。

有一天会出现 30,000 转的电机吗？这是一个非常高的速度。

另一方面，我刚才讲的是电机，是电机的控制，而不是整个车辆的控制。

还有一个新的驱动力，就是器件材料体系的变化，从硅到碳化硅，从硅IGBT到碳化硅器件。

在这种情况下，由于器件的性能在各方面都超过了硅基器件，例如热导率是硅基器件的3倍，带隙更高，击穿场强是硅基器件的10倍，例如千瓦控制器，一个硅器件大约有登山包那么大，具有一定的功率密度。

我们一年来完成的工作基本上可以实现每升50千瓦的转换器。

接下来，每个人的目标都是向每升千瓦努力。

未来，可能有一个电机控制器大约是一个接线盒大小，这将为未来的整车留下很大的空间。

这是我们使用碳化硅器件制作的电机控制器。

国外Model 3率先推出分离式碳化硅器件制成的转换器，比亚迪紧随其后，最近中车发布了S系统。

蔚来汽车也在使用这样的电机驱动控制器。

未来，我们将会看到越来越多的碳化硅控制器出现。

当然，我们的产业链在品质方面还会有更多的新课题。

接下来我给大家汇报一下，如果大家想做一个高密度碳化硅控制器，应该怎么做呢？如何实现高密度电机控制器？因为车辆电机的电压等级对于我们这些搞高压电的人来说都是中低压，功率也就几百千瓦，不算太大。

所以我们业界通常采用三项二频拓扑结构，非常简单。

关键工作是要实现高密度，功率器件是核心。

利用碳化硅器件的高温特性，我们可以制作出功率密度越来越高、热阻越来越小的功率模块。

我们可以把电源转换部分做得很小。

这是基础。

接下来，我们利用高频特性来降低绝缘体的熔化值并减小尺寸。

这里要解决的问题是电容器的散热问题。

多年来，我们一直与 Farah Electronics 合作开展这项工作。

这是一个例子。

我们将母线功能、Y电容功能和散热功能集成为一个弱电保护器，具有电气互连、散热和结构保护的功能。

这是我们最初在2000年和2010年做的。

结果，在进水温度0.5度的情况下，控制器可以达到31.7千瓦。

这就是我们制造的第一个模块（单面冷却模块）可以实现的目标。

期间我们又做了一个碳化硅转炉。

这次我们使用了Enpei的模块。

中间的控制器电源模块也需要在低温下实现这样的性能。

该控制器最终实现的功率密度接近48千瓦/升，控制器效率超过99%，高效区域比例超过90%。

根据我们的经验，最重要的是电源模块。

早期，我们想自己设计电源模块并使用硅模块来制造封装。

到目前为止，典型的车用碳化硅模块已经有不少。

左边的是单器件模块，特斯拉用的ST模块被做成了Model 3。

国内外很多公司都提供单相桥臂模块。

很多汽车厂商都可以使用该模块直接就地更换，作为控制器使用。

每个人都在这里解决一个问题。

碳化硅单片的载流能力和电流容量还比较低。

在同一个电源模块中，并联的芯片数量较多。

这样看来，杂散阻抗对开关性能的影响非常大，优化布局设计就显得非常重要。

我们总结了一下，发现布局有“二”字形布局、“工”字形布局、“田”字形布局等不同类型。

中科院电工有技术可以做到这种全自动布局。

其实就是注重细节，不依赖人，避免人的成见。

目前键合型模块在10nH左右，平面模块会更低。

在散热方面，粘合模块一般采用Pinfin结构，典型热阻低至0.06k/W。

平面模块本身的热阻相对较低。

如果进一步进行散热，挑战还是相当大的。

模块方面，我也回顾了目前正在做的一些主要流程。

端子超声波焊接、铜线键合、银浆烧结技术都是碳化硅芯片模块常用的工艺。

目前，我们从多个碳化硅工艺模块中获悉，所有制造商均提供碳化硅工艺模块。

预计未来扁平化应用将会越来越多。

接下来我做一个简单的总结。

我们的经验是，利用碳化硅器件的高温、高频、高效的特性，大幅度提高新能源汽车电驱动系统的技术水平是一个发展趋势，其中功率模块和控制器一体化。

技术是研究和开发的热点。