【盖世直播】温旭辉：用于新能源汽车电机驱动的电力电子器件与系统

中国科学院电工研究所教授 温旭辉

谢谢大家。刚才各位专家给大家都做了非常精彩的报告，谢谢大家来听我的报告，我来讲一个再细化的，用于新能源的电力电子器件和系统。其实电力电子器件就是电机驱动部分，也是刚才精进电动准备要发展或者已经正在发展的部分。

我给大家报告主要是三个部分，一是车载电机驱动的技术，电机非常多，大到比如说主驱动电机，另外各种风扇、座椅、门窗等等都是电机，今天讲主驱动电机。驱动要求，低速大转矩，高速宽恒功率，还有高功率密度，另外就是全局系统高效，我们做车载电机，它展现出来的特点，要高密度，要适应从-40度到125度的要求。

从电机来讲，比较技术性。我们做电机驱动，其实很重要的是做电力电子，电力电子用什么拓扑，电动汽车里面，拓扑相对来说，比电源或者是超大功率的电换器的拓扑要简单，所以基础电压型的，电压源型的中间这样的机构，目前，真正在产品上用的都是以这个为基础，还有利用边缘性进行深压的技术，以及工程燃料电池车里头用的技术。正是因为我们电力电驱很简单，我们承载电机重点研究不是拓扑上，而是集成上，现在我们看到车载控制器，物理功能来说，把空调等等主驱动变器，到高压DCDC全部集成在一起，那物理上讲，又把工艺模块，IGBT，和无缘电融全部集成在一起，集成是它的一个特点，另外是用新的器件，高品开关的载片，目前是用的飞机的绝缘栅晶体管，它的形式已经发展很多代，目前来讲，主要是沟槽和这种长中字型的结构，基于这个，丰田是达到了19kW/L的指标。实际上，确实用硅漆来做，但不能往上涨了。

其次电机驱动技术的发展，其实我们比较专注于依赖于功率性，技术的发展，来讲，是Trench+FS技术，模块我们在丰田看到是定制化的，肯定不是单一的工业模块，另外一个，就是新型的封装方式，包括直接冷却的结构等等，也就是说，虽然有芯片，工装也是非常的重要，真正用的时候，工作是非常重要的事情。另外从SIC方面讲，二极管应用逐步商业化，其耐压为Si的十倍，导热性为Si的3倍，反向恢复的损耗可减少66%，目前也在应用。

现在讲一下主流的，从芯片讲，从IGBT发明以来，进行了多次的迭代，主要是两部分结构，第一是三级的结构，就是我们这种平面栅的沟槽栅，从结果来看，就是导通压降低30%，芯片面积更小，就意味着更便宜，面积小30%。然后基区结构变化，从穿通型到非穿通型，总体下降了20%。

六年前把这么大的电流和这么集中热道阻进行了大量的工作，从结构来说，线绑定和单面散热是工业用的，到汽车上，就开始到平面的封装，还有集成的冷却，这样单面的时候，我们自己做的工作，把热组织降低了20%，这是我们做的工作。基于SI的IGBT的高功率密度变流器研究，从IGBT芯片加SIC的SBD芯片到多芯片并联布局设计。

当然很重要一点，用2.7超薄膜及喷涂工艺技术制作单芯，体积减少20%，ESL、ESR减少。膜电容单芯与母排一体，这时候我们也应用了一些多场耦合的计算，得到了变化规律，改进了设计，就更安全了。实际上，这个模块里面，通过这样的工作，刚才说电容和母排一体化设计，对控制温度分布的影响，把电容的温度降低了。

碳化硅可以高温、高频、高效的工作，理论上碳化硅可以做到六百，开关频率，已经有人做到一兆，给大家一个概念，我们是用全碳化硅的器件做变流器，在105度的情况下，现在达到每升57kw的变流器。这样25升，“一代芯片、一代模块、一代系统”，这个过程是非常辛苦的，你看日本是把体积缩小80%，三菱也是把总体积缩小了70%，我们也上阵了，今年国家的项目，我们目标是在105度下，要做到每升36kW，芯片最大难度是提高温度下，SIC芯片载流子输运机理，这样的情况下，优选拓扑，举一个例子，可能电机未来不仅仅只需要做液变器，可能可以做大的车载实验，还有能够适应电池不同电压，另外就是电力电子集成，这个包括电子化器件，组件辅用，有两极，所以我想要用多极协同的算法，来降低脉冲序列级的开关损耗，丰田说了，是有可能能实现的，我们现在评估下来，确实是一个延伸产业链的问题，其实很多地方都不匹配，所以需要大量的工作，谢谢大家。

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