2017年10月18日,，2017中國(guó)國(guó)際節(jié)能與新能源汽車(chē)展覽會(huì)在北京國(guó)家會(huì)議中心召開(kāi),。展會(huì)同期舉行了2017(第六屆)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)+新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇,。

　　中國(guó)科學(xué)院電工研究所主任溫旭輝就SiC器件在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述講解，以下為演講實(shí)錄：

　　各位專(zhuān)家,、各位同行,，大家好，我今天給大家報(bào)告的主要是講技術(shù)性的問(wèn)題,，這個(gè)技術(shù)應(yīng)該講對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)還是非常重要的,，就是碳化硅器件在新能源汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)里面的一個(gè)應(yīng)用,，我的報(bào)告就分以下兩個(gè)部分,。

　　目前我們國(guó)家的新能源汽車(chē)已經(jīng)在世界上排名第一了，2020年大家也都認(rèn)為完成200萬(wàn)輛的指標(biāo)應(yīng)該是可行的,，在這里面,，實(shí)際上電動(dòng)汽車(chē)三大關(guān)鍵技術(shù)，其中之一就是電機(jī),，整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的話(huà),，它的性能實(shí)際上是直接決定了汽車(chē)的性能，我指的是動(dòng)態(tài)性能等,。

　　從電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)的專(zhuān)項(xiàng)以來(lái)的時(shí)候,，一直是三縱三橫里面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)一直作為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在進(jìn)行公關(guān),，在新能源汽車(chē)中間,，總結(jié)來(lái)說(shuō)，新能源汽車(chē)對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求應(yīng)該要求是一個(gè)高的性能來(lái)保證動(dòng)力性以及增加車(chē)輛的續(xù)駛里程等,，在可靠性和安全性方面,，它非常重要，直接影響到車(chē)輛的可用性和用戶(hù)的接受度,，低成本大家都知道,，實(shí)際上現(xiàn)在零部件廠商每一天都面臨著高質(zhì)量,、低成本的壓力，在這些需求的下一層的時(shí)候,，實(shí)際上就意味著我們?cè)诩夹g(shù)上還可以做很多東西,。

　　比如說(shuō)，在高性能方面,，碳化硅就是未來(lái)非常值得關(guān)注的一個(gè)技術(shù),。因?yàn)闀r(shí)間只有15分鐘，我就接著講了,，碳化硅器件到底是一個(gè)什么樣的器件,，從這張圖大家看到，隨著頻率的提升和功率的提升,，實(shí)際上滿(mǎn)足不同的功率和開(kāi)關(guān)頻率的器件,，它是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵核心部件，但是隨著不同的頻率和開(kāi)關(guān)的增長(zhǎng),，基于硅材料的ICPT的性能已經(jīng)接近理論的極限,，碳化硅有很多優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)10倍以上的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度,、3倍的帶隙寬度,，翻譯成我們電工行業(yè)能夠理解的就是，用這一個(gè)器件,，我們可以讓它工作在更高的電壓,，同時(shí)可以工作在更高的溫度，理論上來(lái)說(shuō),，碳化硅這個(gè)材料可以工作在600度,，現(xiàn)在大家努力的方向是200多度，如果它真的能夠工作這么多度的時(shí)候,，是不是散熱就可以取消,，至少可以簡(jiǎn)化。

　　另外,，它非常大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是,，可以提高開(kāi)關(guān)頻率，曾經(jīng)有報(bào)道說(shuō)開(kāi)關(guān)頻率有人給他提到了一個(gè)開(kāi)關(guān)電源,，做到了1兆赫茲的時(shí)候,，它還能有90%的效率，由此而來(lái),，在我們這個(gè)行業(yè)里面,，大家都認(rèn)可碳化硅器件是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)非常關(guān)鍵的要素，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫,、高效,、高速運(yùn)行的技術(shù)途徑,。

　　由此，最初的實(shí)驗(yàn)室報(bào)道還是挺多的,，哪個(gè)實(shí)驗(yàn)室在器件方面做了哪些工作,，哪個(gè)實(shí)驗(yàn)室又把器件用到了控制器上面，對(duì)于我們這個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō),，最打眼的應(yīng)該是在2013年,、2014年的時(shí)候，豐田汽車(chē)就提出,，我們將采用碳化硅的技術(shù),，在2018年的時(shí)候把我們的車(chē)用變流器體積縮小到原來(lái)的5/1，然后把它整個(gè)的整車(chē)應(yīng)用碳化硅技術(shù)以后的整車(chē)燃油效率再提升10%,。

　　后來(lái)我們看到的報(bào)道是說(shuō),，實(shí)際上節(jié)油率已經(jīng)提升了5%，2018年沒(méi)到,，我們還可以繼續(xù)看,，豐田繼續(xù)說(shuō)他們已經(jīng)在日本建立了碳化硅從芯片到模塊的一個(gè)工廠。

　　碳化硅總體來(lái)說(shuō),，即使是對(duì)電力電子的行當(dāng)來(lái)講,，最主要的還是從這個(gè)世紀(jì)開(kāi)始才慢慢熱起來(lái)，我們今天來(lái)講它時(shí)候,，必須要從它的器件可獲得性上來(lái)說(shuō),，目前來(lái)看，美國(guó)一個(gè)公司叫CRUI,，ROM是日本公司,，現(xiàn)在都推出了600-1700伏的碳化硅27管的一個(gè)產(chǎn)品,，我們也曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)室做過(guò),，用了27管之后，它就會(huì)沒(méi)有反向恢復(fù)電流,，效率能夠提升百分之零點(diǎn)幾,，本身就很高了，已經(jīng)很不錯(cuò)了,。

　　另外,，它還有mo sit的器件，當(dāng)然了早先的時(shí)候都是兩寸,、三寸,、四寸的芯元，這樣一來(lái)除了材料貴,，那你的芯元上尺寸越小的時(shí)候,，它能夠做的芯片就越少,，成本價(jià)格就更高。現(xiàn)在來(lái)說(shuō),，6英寸已經(jīng)是一個(gè)潮流或者現(xiàn)在比較先進(jìn)的水平,，這是一個(gè)國(guó)際的情況。

　　國(guó)內(nèi)也在逐步形成這種產(chǎn)業(yè)鏈,，大家可以看到這張片子,，從襯底就是材料到外延是一個(gè)技術(shù)，在碳化硅上再漲更好品質(zhì)的碳化硅來(lái)做器件,，以及模塊都有人在做,。

　　我接下來(lái)要給大家報(bào)告的是我們?cè)陔姽ぶ锌圃弘姽に鶢款^的，聯(lián)合了我們國(guó)家像中車(chē)時(shí)代和電子部55所,、上海電驅(qū)動(dòng),、京津電動(dòng)、浙江大學(xué),、華中科技等等一些大學(xué)和相關(guān)的龍頭企業(yè)一起在做,，碳化硅的模塊當(dāng)然我們要用芯片的時(shí)候，模塊也是一個(gè)中介,，我們不可能直接用芯片,，都用模塊，因?yàn)樾酒侥壳盀橹?，我們電?dòng)車(chē)能用的最大的大流的時(shí)候,，在可用的溫度下其實(shí)沒(méi)有超過(guò)100安培，因此我們必須要弄成模塊,，這就是國(guó)外的現(xiàn)狀,，基本上目前來(lái)看，還是在利用現(xiàn)有的硅器件的分裝和焊接單面散熱的分裝的形式,，真正能夠利用碳化硅的高溫和高頻特性的設(shè)計(jì),，現(xiàn)在還處在實(shí)驗(yàn)室里面。

　　國(guó)內(nèi)要慢一些,，因?yàn)槲覀兊男酒夹g(shù)比別人要慢,，但是已經(jīng)有了開(kāi)始。

　　給大家看一下國(guó)際上在控制器上面的一些進(jìn)展,，豐田剛才已經(jīng)講過(guò)了,，日本電裝也提出用碳化硅把功率密度提高4倍，近期要進(jìn)入量產(chǎn)階段,，日本三菱把剛才在這圖上看到電機(jī),，這個(gè)電機(jī)的后端就是電力電子的控制器，電產(chǎn)也紛紛提出要做控制器以及車(chē)載實(shí)驗(yàn)，在這樣的一個(gè)前提下,，2016年的時(shí)候,，我們國(guó)家的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，新能源汽車(chē)的專(zhuān)項(xiàng)就啟動(dòng)了高溫碳化硅器件及系統(tǒng)理論和測(cè)試方法研究這樣一個(gè)課題,，我們召集了這么多的總共14家單位,，有科研院所和它對(duì)應(yīng)的龍頭產(chǎn)業(yè)企業(yè)來(lái)開(kāi)展，在控制器方面,，我們從來(lái)沒(méi)做過(guò)碳化硅的控制器,，要做到在105度下把控制器的功率密度做到36升，這就要求我們?cè)诂F(xiàn)在的情況下200下把這個(gè)模塊做到60安培,，而且體系要降到硅模塊的3/1,。

　　接下來(lái)再往下分解的時(shí)候，我們就需要最少50安培的碳化硅器件,，這是整個(gè)的完整產(chǎn)業(yè)鏈,，我們當(dāng)然在各個(gè)環(huán)節(jié)都面臨著不同的問(wèn)題，比如說(shuō)在芯片方面,，我們就面臨著碳化硅芯片電流倒通能力在高溫下會(huì)顯著降低的問(wèn)題,，而且在這個(gè)模塊分裝的時(shí)候，因?yàn)樗男酒邷?，而且芯片面積非常小,，它的熱流密度是現(xiàn)在硅器件大概是6倍。

　　一方面焊接方面受到挑戰(zhàn),，現(xiàn)在納米銀高還是可以做的,。

　　還有一個(gè)問(wèn)題我們用做絕緣的硅凝膠，它在200度下會(huì)揮發(fā),，因此在面臨很多分裝材料,，高溫性能大幅下降，以至這個(gè)模塊可能就不可靠,，可能會(huì)失效,，當(dāng)然了，對(duì)于控制器來(lái)說(shuō),，高頻開(kāi)關(guān)的時(shí)候,，還是碳化硅開(kāi)關(guān)速度很快,，這樣會(huì)造成EMI的問(wèn)題,，從整車(chē)來(lái)說(shuō)，對(duì)EMI的要求也很強(qiáng),。

　　因此我們?cè)诳茖W(xué)問(wèn)題層面分解出來(lái)三個(gè),，希望通過(guò)科學(xué)問(wèn)題的來(lái)解決芯片方面的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在模塊方面準(zhǔn)備采用平面分裝,，新型的互聯(lián)結(jié)構(gòu),，在電力電子方面,，在解決了負(fù)面干擾之后來(lái)做拓?fù)浜涂刂频难芯俊?/p>

　　到今年為止，我們已經(jīng)做成120伏,、100安培的碳化硅肖特G2G管,，它有效的高深度非常淺，只有12個(gè)微米,。面積很小,，只有0.6的環(huán)節(jié)。它在25度,、100安培下,，剩下的壓降是1.64伏，算下來(lái)實(shí)際上我們的電流密度肯定是和國(guó)際先進(jìn)水平持平,，某種算法上還高一點(diǎn),，這是和產(chǎn)品比。

　　在模塊方面,，當(dāng)前主要還是在解決傳統(tǒng)的,，有些人難以分析整體的失效激勵(lì)，所以說(shuō)模塊的優(yōu)化思路不清晰是一個(gè)問(wèn)題,。

　　第二個(gè)就是因?yàn)槲覀儽仨毭鎸?duì),，在這一兩年以?xún)?nèi)，我們的碳化硅國(guó)產(chǎn)芯片,，單芯片的電流都比較小,，所以要封存一個(gè)600安培的模塊肯定大于50個(gè)芯片在一個(gè)模塊里面，到底怎么樣來(lái)排布,，使得它的自身電感最小,，這樣的話(huà)就使得開(kāi)關(guān)更加可靠等等，還有就是熱流機(jī)松的問(wèn)題在進(jìn)行各種的分析,，包括模塊的高溫失效模型,、模式、大數(shù)量芯片的多功率廠優(yōu)化,，下面的第三個(gè)圖就是我們目前做的一個(gè)雙面冷卻的模塊,，在這個(gè)模塊上面的時(shí)候，首先它是雙面的,，第二個(gè),，它再也沒(méi)有一般的模塊的建和線(xiàn)，另外就是做高溫開(kāi)關(guān)的工作,。

　　目前做來(lái),，我們已經(jīng)做得了120伏、300培的模塊是建合型的，在左邊的這個(gè),，大家看到比較像HP1,，實(shí)際上我們就是利用HP1的這些零件來(lái)做的高纖焊片、超聲波焊接,。

　　另外一個(gè)就是我剛才講的,，雙面冷卻的平面型模塊，體積都比原來(lái)有大幅的減少,，正是因?yàn)樽瞿K里面很重要,，你的焊接要保證在不同的溫度下都要可靠，因此要盡量降低空洞力,，我們?cè)阝F焊和納米銀高方面的時(shí)候,，也做了工藝的探究，這樣使得高纖焊料的時(shí)候,，空洞力小于3%,，用納米銀高的時(shí)候，及時(shí)在無(wú)壓力的燒接的模式下,，空洞力量也要下于2%,，這個(gè)都是未來(lái)保證它的可靠性的具體工作。

　　最后我們測(cè)了以后,，我們自己做平面型模塊和CRUA的模塊來(lái)測(cè),，目前來(lái)看，從開(kāi)關(guān)損耗來(lái)講相當(dāng)大,，這就說(shuō)明目前我們從初步來(lái)講還是成功了,。

　　在控制器方面，理論的東西我就不講了,，我講一下對(duì)大家有用的東西,，我們?nèi)ハ肴绻岩粋€(gè)控制器做小，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)高功率密度,，單單是僅僅把模塊做小只是一個(gè)起步,，其實(shí)我們更大的體積重量的部分在電容、散熱器,，電容占了相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)體積,，25%應(yīng)該不止，而且我們也是和法拉電子有過(guò)一次討論,，普通國(guó)家的國(guó)產(chǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的體積都比別人大,，電容量也比別人大，其中可能也有一個(gè)原因,，主要是在這邊和同行分享一下,，其實(shí)電容的作用有兩個(gè)：

　　1,、它必須要為開(kāi)關(guān)提供脈沖電流,，通過(guò)電池是來(lái)不及的,，因?yàn)樗淖杩购艽螅赃@個(gè)功能是無(wú)可取代,。你想先做一個(gè)高融資電容之前,，你要先想做一個(gè)能夠提供大損失電流的電容，這才是更正確的一件事兒,，那它當(dāng)然也需要進(jìn)行電壓的Data V的頻率作用,，那我把頻率提升上去就可以了，它的作用從這個(gè)公式看的出來(lái),，你把C的容值降低的時(shí)候,，提高的頻率就會(huì)是一樣的作用。而容值和體積是直接掛鉤的,，我們做了一個(gè)符合功能的電容器的研發(fā),，首先我們研究在不同的工況下，實(shí)際上對(duì)容值的要求是不一樣的,。再一個(gè)我們盡量去降低它的集成電感,，這對(duì)于電器特性有好處，其實(shí)對(duì)于它能夠除根它的電流也有好處,，更為重要的是說(shuō)要對(duì)它進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)控制或者降溫,、散熱。在這個(gè)一個(gè)情況下,，這是我們最初的設(shè)計(jì),，大家看這樣一個(gè)殼，這是我們的一個(gè)控制器的很大的殼,，把模塊裝在水槽上,，因?yàn)樗詭ьl費(fèi)，再往上裝控制板就構(gòu)成整個(gè)的控制器,，我們把它叫做符合功能的電容器,，因?yàn)檫@里面把電容和母排全都集成在里面了，而且電容也可以得到直接的散熱,。

　　最后我們做的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是這樣,，許用的文波電流從180安培提升到300安培，因?yàn)橛幸粋€(gè)點(diǎn)測(cè)量的地方覺(jué)得很高了,，就是398這一點(diǎn),，我們覺(jué)得這個(gè)測(cè)點(diǎn)可能不太對(duì)，就保守的來(lái)說(shuō)也是1.67倍,，直接的來(lái)說(shuō)可以降低C除以1.67,，這個(gè)愿意拿出來(lái)和同行分享一下,，這樣一來(lái)，這是電容,，還包括機(jī)殼,，在上面把模塊裝上去，做了一個(gè)非常小的,，比信用卡大不了多少的主控板,，在這里面優(yōu)化它的算法，讓它能夠適應(yīng)50K的控制頻率,，因?yàn)槲覀冞€是想把這個(gè)頻率提升上去,，利用碳化硅的優(yōu)勢(shì)，最后做了這樣的一個(gè)控制器,。

　　目前,，我們做的時(shí)候是每升37個(gè)鉛，沒(méi)考慮溫度,，因?yàn)榍懊嬗行┑胤揭矝](méi)考慮溫度,，現(xiàn)在的情況就是，還好讓我們對(duì)項(xiàng)目任務(wù)的完成有了一個(gè)信心,，這相對(duì)來(lái)說(shuō)是我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)比較新的東西,，給大家報(bào)告一下，謝謝!