【2019WNEVC】中国科学院温旭辉：高密度SiC电机驱动控制器技术研究

经国务院批准，世界新能源汽车大会（WNEVC）于2019年7月1-3日在海南博鳌隆重召开。大会着眼于全球汽车产业的转型升级和生态环境的持续改善，通过聚集全球专家智慧和产业精英，共同交流探讨新能源汽车在技术创新、产业创新、政策创新、市场模式创新等领域的成功经验与发展趋势，凝聚产业共识，明晰汽车产业转型升级的方向，探索电动化、智能化、共享化协同发展的有效路径。在“先进电驱动技术”的主题峰会上，中国科学院电工研究所主任温旭辉发表了演讲，内容如下：

谢谢大家，刚才Dott.Ing：讲了整体上驱动的展望，有很多其中的看法，信息量非常大。我这边讲一个比较具体的工作，那就是在碳化硅的电机驱动控制器里面有一个比较大的团队，联合做的一些工作。抱歉，翻页有一点问题，我的报告分四个部分：

第一部分，碳化硅怎么样改变新能源汽车的电机驱动；这张片子，我是想说给大家讲一下，现在昨天前天大家都在讲电动汽车、新能源汽车要走进千家万户，那么也面临着一个补贴退坡和完全推出这样的一个问题。因此来说，我们看新能源汽车要走进千家万户一定要让大家买得起，而且还要跑得远，这个问题比较严重。海南比较适合用电动汽车，那么黑核呢？对于电机驱动作为电动汽车的三个核心技术之一，我们把这样一些总体指标往我们这个地方来推的话。那么我们这套系统成本低，要能够高的效率、高的功率密度，同时还要适应高的温度，低温对于我们目前来说-40度不像电池那么敏感。对于我们来说HHH，三个“HI”，什么东西使得我们把三个结合在一起呢？那么这就是叫碳化硅。大家看一下，这边是它晶体的一个结构图，那边上面就是它的一个表，那就是材料的物理特性，让我们回输入大学一年级的物理和普通化学。简单介绍一下，最后到我们的驱动系统，它实际上跟我们最关键的器件有关物理特性里面的宽轻带，还有本身低的载流子的浓度和气化硅的高导入性，这样工作的特性比我们器件高1-2倍，200多度-300多度的器件，它有一个高的厂墙可以做得更薄，现在是1200V，在3200V的时候可以用单的气墙，如果是气化硅不可以是这样的结构，损耗太大。我们器件的导入远远低于硅，缩小1/3到1/5。有时候看不见了，中车的器件五三配非常小，所以电容非常小，导致一个问题就是开非常快，开和关都非常快。这样一个器件未来用到控制器上会是怎么样呢？165千瓦的控制器大概就是一个登山包，25升，如果用碳化硅器件来做密便器就是15升，美国能源部要100升，每升100千瓦这样子，比这个还要除一半。像Dott.Ing说的那样看不见，我们是看不见的。

怎么做到这一点是一个问题。下一个跟大家报告在模块方面做的工作。像中间这张图看到的，这边是晶圆，晶圆不能直接用，一定要连接起来，同时用共同的终端连接变成模块，那么芯片必须要变成模块。模块有一个特点，它开关速度是硅器件的3-5倍，硅器件像右边那样：一是上升速度非常快；二是非常多的毛刺。毛刺怎么来的？不是它自身的，自身的电感，自身的电容和连接线电感的一个斜震造成的，我们第一个问题就是确保可靠的开关，这些毛刺要尽量小。而且，我们因为是让他工作的时候基本上比硅器件频率高2-3倍甚至更多的时候，怎么样把毛刺去掉或者减少是一个非常重要的问题，这是第一个问题，怎么做呢？那就是做先进封装的技术。

第二个问题是热。刚才芯片面积是非常小的，电流密度很高，功率密度很高，这对于我们来说是好处。但其中的问题，实际上热流密度很高，我们算一个例子，120伏40毫欧来算，它是现在IGBT的两倍左右，这样封闭起来散热是一个很重要的因素，所以你看到所有模块封装的材料都会发现相应的改变，也就是说需要一些改变，也就是说需要更先进的材料和更先进封装的形式。

在我们的项目里面做了哪些工作呢？当前来说，硅器的IGBT的硅片电流做到200安培、300安培，更高的是400安培，我们能获得是50安培左右，大量的芯片布到一个模块左右，而且杂电感要尽量低，另外一个热流要处理得好，其实对于布局还是非常重要的。在我们这个里面呢？做了这样一个工作，你这么多的芯片到底把它放到哪儿，你用什么方式给它连接起来，如果完成靠人工来做的，那就是右边底下的片子，我们反过来看，如果用人工来做花的时间和杂散的电感在有限时间内要高一些，我们怎么做呢？我们先做了一个自动布局的方法，先把每一个芯片和端子都进行编号，编的时候不光编出它的特征，比如说端子朝上还是朝下，另外编出它相应之间的位置。在这样的编号情况下，外循环的时候就放这些芯片，正是因为这种自动布局的方式，所以说它就可以非常精细地来布局，内循环的时候就是自动连接的方式。因为它是自动的，所以说其实可以很多很多非常精细地来布置。那么目前我们跟国畅中心一起编软件，希望能够友好，用起来这样获得杂散电感变小。

散热，这是直接冷却的例子，根据芯片的位置和直接的密度要考虑额度的圆柱或者椭圆柱密度的一个设计，最终获得一个结果。这就是我们的结果，做了1200V300A碳化硅，1200个芯片数量很多，我们做完以后就是直接冷却的模块，看一下下面的表，我们与螺母公司一些现有的产品做了比较，功率还是高的，温度要做到200度，所以挑战蛮大，这是从开关的特性来看的。密度有点大，每功率做到120瓦左右，过去是60瓦，60瓦是老模块，新模块是蛮高的。一个新的技术来讲还是有很多的挑战，确实我们的研究也是证明1200V、400A到1600V、200A用double  Kuling的系统要高，高不少。我们有了模块之后要在此基础上，我们主要的工作是要做碳化硅的电机驱动控制器，右边的图是控制器设计的爆炸图，这两天撤展了，前两天在展台能够看到。跟Dott.Ing说一样的模块没有多大，电容非常大。我们做电机驱动控制器的时候要做以下工作：

一是减少母排的电容。

二是提升效率这样来降低电容里面的损耗，想一些办法进行高功率密度的集成。

这个工作从2016年开始做的对行业有一定贡献的工作。我们注意到国家的电机驱动控制器一般比进口的控制器要大，很重要的一点其实就是电容大了不少，其实电容的容量用得也要更多一些。回过头就分析电容真正在系统里面的作用其实就是三个，重要是前两个：

第一个，平稳直流的迈压的驱动；

第二个，吸收Ponit；

第一个把母电的（英文）弄下去，因为我们是碳化硅，把电里提高一倍到两倍，这样锐值就下来了。但是下面的东西无法替代，你必须要提供或者吸收大概70%Rity的电流，是这样的，那是没有办法的，一定要具备这样的一个功能。这个怎么办呢？在现有PP膜电的时候，一定要做的工作其实就是说把它的散热做好。这样散热做好以后，许用纹波好很多，下面我们跟发拉做的，这是电容的芯子放到一个铝的壳里面进行封装，它的导热性非常好，上面有热耗。这样很大程度改善了散热的能力，我们测的时候让许用文波的能力提高121%，如果还需要进行优化就可以再优化。第二个工作，怎么样减少电容散热，第二个就是就是降低Rebo  Carrent，这样的电流减少，这样就不是双向电机，它是三向电机，三向电机载波进行移项，其他也是一样，移到180度就消掉了，纹波有一些低频的纹波小了，可以消掉70%左右，电容里面的损耗也可以降下来，当然结构比较复杂一些，电流实际上比较小，因为我们是有两个来承担，单器件的在载容能力原来72个，现在72个，端点要更多。我们跟Dott.Ing，开绕阻行不行，开绕阻把压力提高。我们怎么样把电容做小，电容做小，模块做小，现在主要的问题，面向每升100个千瓦，恐怕电容采用陶瓷电容，模块采用碳化硅的双面冷却，剩下就是控制电路和传感器这样一些问题。我们这些也是跟一个公司的阻容做了得比，模块大不了多少，进一步减少驱动的比级，最后把这些东西做小。接下来的时候就是一些功能的赋用，这里面最主要的赋用就是一个电容。右上边就是点肉，里面是电容，但是槽就是散热的槽，壳是控制器的机盒。通过这些赋用来减少体积的占用，最后测下来的情况是这样，入水口水温105度的峰值做到每升36.7千瓦，这是我们做情况。现在处于一个比较好的数值，但是故事没有完，碳化硅像Dott.Ing讲到的，碳化硅的开关快3-5倍，我们用高频的特性，EMI是一个大大的问题。这样图给大家讲的，大家都清楚，左边是一个电机驱动系统共膜和插膜的一个通路，这比较简单，现在通用电机驱动系统都在端口进行峰值和平均值的测量。EMI，待载EMI是我们大的问题，如果通过事后正极的方式来做的时候，有时候主要是碳化硅开太快不够。

我们做了什么事情呢？我们首先做预测。第一个做的预测是对噪音源做预测，也就是对于碳化硅源做预测，如果大家做噪声源预测一定建模型，碳化硅模型最最重要是输出电阻，那么一定要建立得准确，这样的话对于高频的特性预测就比较准。这里面要讲的，甚至门区的电容要准，否则影响低频的预测，过去大家采用常塑的门机电容，我们做了非线性的门机电容，在低频倍次脉冲波的时候就能预测很准。这一点尤其对于高频开关非常重要，这一点给大家一个概念就是把电容建得准确，建了以后不光是芯片模型，还有模块，一定要把参数模型建好。用参数很好，用QCD就可以做到，用的时候有一些小的技巧，比如说这个地方有六颗芯片要并联，因此来说的话，你是要在加Sorrce的时候分别加，体现每个芯片和桥壁杂散电感的差别，这对于精确的预测非常重要。第一个要把圆预测准，还有路径预测准，其实电机几乎是不可以来计算的，都是靠测，因为实在是太复杂了。对于Cable电缆电容还是可以进行计算的，我讲一下电容和母排计算里面做的这些工作。第一个来说插膜走的通常主电流走的电路，建模的方式比较简单。那么公膜的时候，公膜电路对地的电容比较麻烦，那要做一些简化，我们做了一些简化，我们发现有一个特点，对立也有100的电容，可以加大，其实这样的电容不小。这样一来以后，因为圆来路径都能够仿真或者抽取的话，这样预测得比较准，预测准以后就要做滤波器的优化设计，我们目前做滤波器的优化设计还是要以体积最小做一个原则，在此基础上选托谱的结构，我们选过圆滤波，圆滤波不太行，还是要靠其他的滤波来做。

左下角是滤波器的工装，这样比较散，如果做得集中一点至少要有2.2升一半那么多。今天我的报告，第一步给大家讲了一下碳化硅可以使得电机驱动控制器未来有什么样的前景，简单回答一下做高工模型的控制器和模块的工作。EMI是非常重要的事情，它会增加我们的体积，弄得不好会改变的我们托谱，这是我们研究的一个工作，谢谢大家。

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