WNEVC 2022 | 美国工程院院士Thomas M. JAHNS：电力电子能承受集成电机驱动器的热挑战吗？

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科学技术部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南两地以线上、线下相结合的方式召开。其中，北京会场位于北京经济技术开发区的亦创国际会展中心。

大会由中国汽车工程学会等单位承办，将以“碳中和愿景下的全面电动化与全球合作”为主题，邀请全球各国政产学研界代表展开研讨。本次大会将包含20多场会议、13,000平米技术展览及多场同期活动，200多名政府高层领导、海外机构官员、全球企业领袖、院士及行业专家等出席大会发表演讲。

其中，在8月28日上午举办的技术研讨会“新能源汽车电驱动技术创新”上，美国工程院院士，威斯康星大学麦迪逊分校电机与电力电子中心（WEMPEC）主任Thomas M. JAHNS发表专题演讲。

主要观点：

1、采用宽禁带半导体WBG开关的电流源逆变器CSI为未来的深度集成电驱动系统IMD提供了巨大的希望；

2、通过CSI-IMDs几种集成设计方案的温升测试表明，即使是完全封闭、不通风(TENV)的设计方案也是可以满足器件温度限制。

3、我们需要做更多的工作来解决其他各种环境挑战，包括温度循环耐久和振动等。

以下内容为现场演讲实录：

各位早上好，我非常荣幸能够有机会和大家来分享我们研究成果和观点，但是很遗憾因为疫情原因我不能够亲自出席，只能通过线上的方式和大家分享。今天这个话题我很喜欢，是关于电力电子方面的内容，以及它在电机驱动实践中面临的挑战。

首先我和大家简单的介绍一下威斯康星大学麦迪逊分校，我们大概在美国的中北部，靠近芝加哥的地方，周围的环境是非常漂亮的。学校大概有五万名学生，大部分都是从事工程相关的研究工作，我在电子计算机学院，我也是从事电机相关的研究。其实我们和行业、学界有着长远的合作，可以说我们和业界的沟通和合作是非常久的。去年我们庆祝了40周年的创新和合作的庆典，这张是我们团队的合影，我今天也是代表所有的同事和大家来问好。我也希望有一天大家能够来麦迪逊和我们面对面交流。

今天我和大家分享集成电驱领域的一个革命性的进展，或者说它是一个演进。现在碳化硅应用的速度已经快了十倍左右，能够实现更高的功率密度，且更适用于高电压场景下的应用，其实碳化硅本身的演进就代表了现在电驱行业的革新。另一方面，传统的电驱系统都是分体式，电机和控制器分开，用传统的电缆和电线连接控制，现在我们要做的就是把所有分散的盒子整合起来。但是我们不是简单物理组合，而是真正的集成，未来我们会接受这种长远的变化。

而宽禁带半导体有机会让我们实现这样的远景，他有哪些潜在的优势呢？首先由于共用壳体和热管理系统，功率密度提升是非常明显。第二针对规模制造其生产制造优势明显。第三就是高带宽和容错的模块化架构。但是还很多挑战，今天我想给大家介绍一下挑战，在把电子电力整合到电驱动器上，整个环境其实是非常复杂的，稍候我会简单的做这方面的介绍。

这种设备它对于电机驱动器非常重要，同时也可以帮助我们进一步解决这种挑战，在这张幻灯片上我们希望能够更多的关注热挑战，特别是和嵌入电力电子，把他进一步整合到集成电机驱动器上，我们有哪些热管理上的挑战，并且如何能够解决这些挑战，我希望能够通过我的演讲进一步鼓舞大家来相信这方面的前景，并且也能够拥抱这种技术趋势。

热管理挑战首先是材料热性能，然后是电力电子器件。对于电机来说耐温至少做到180℃的温度限制，有些高性能应用场合是200℃的温度限制。但是其他电力电子器件的耐温普遍在125℃的水平，那么这之间就有大于50℃的温差。对于IMD系统架构，把所有部件整合到一起，就会面临着传热的挑战。多年来，我们一直被问到这种问题，如何能够把这种电力电子和电机集成在一起，我想跟大家分享一下解决温度限制上实践。

首先就是我们要挑战一种标准的思维模式。目前我们在电机逆变器中普遍都采用电压源VSI逆变技术，还有一种电流源CSI解决方案应用较少。我们为什么对VSI和CSI感兴趣，因为它可以帮助我们解决未来的热挑战，因为它有很多非常吸引人的一些特性，基于宽禁带半导体的电流源逆变器CSI技术将是针对未来的集成电驱动系统的关键技术。它主要的优势之一就是在高温的性能。从系统拓扑上看VSI需要使用电解电容和薄膜电容，而电解电容的耐温在105℃，薄膜电容耐温在125℃，限制了VSI类型拓扑逆变器的热环境。而CSI拓扑使用电感类器件耐温可以达到200℃，陶瓷电容耐温可以达到150℃，从整个系统热管理的角度来说，CSI逆变器，还有电容器他们可以在高温下具有同样的热特性。我们在项目上也做了验证，一年前如果大家参加了今天的会议，大家可能还记得这个项目，我要给大家回顾一下当时这个项目上的研究成果和进展。这个项目是由美国能源部出资来做的一个前沿性的研究项目APER-E，在这个研究项目上我们把高性能的WBG还有CSI结合到一起，来进一步集成电驱动系统。这是为期三年的项目，主要的进步就是功率密度的进展和变化，我们让整个项目更加有挑战性，嵌入的不仅仅是逆变器，同时在设备里也有一些其他的嵌入，它具有三种功能，可以把功率传递到逆变器、电容器，同时也可以在交流电网和交流负载上有很好的应用，支持电动车制动能量回收，但是现在还是有很多挑战，我们有使用了双主动桥结构来实现功率密度的提升。

大家看到这是3kW的电驱动系统原型机，电力电子逆变器是嵌入到电机腔室内，逆变器包含3层PCB，冷却风扇功率3W。还有另外一个命题，就是我们证明通过额外的铝层结构可以实现系统集成。这张幻灯片展示的是逆变器的电压电流波形。左手边的波形就是在设备终端运行的波形，看起来非常的理想，它的效率在第三年的时候是98%，我们也看到这个图表所展示的功率密度以及其他的性能指标，对于电动车的应用是非常高效的，这比我们预定的目标提升了一倍。在三年的项目之后，我们可以有机会获得其他的一些经费，我和整个团队决定使用这些额外的经费来进一步拓展研究，就是下一代的CSI-IMD，重点解决热挑战。我们把电力电子安装到同样电驱动系统腔的下部，还加入了空气冷却系统。右手边展示的是他的一个系统集成方案图，我们看到所有电源器件片均焊接在PCB电源板上，使用压力环安装在端室铝壳上，用热界面材料(TIM)进行电隔离，控制器集成到CSI传感器板，减少PCB数量。我自己其实也担心过究竟是否能够完成这个工作，但是我的学生他确实把整个控制器直接安装在同一块平面板上，也防止了出现EMI的一些问题。其实这个项目做的非常艰难，因为要实现冷却的话，里面有太多的细节，但是当时我们用的是一个压力和温度同时测试的方式，这就是一条很直接的思路。其实有的技术我们在采取的时候没有别的选择，除了直接抽取热量之外，包括把所有的热量抽取到整个电机的外壳，我们就做的是这样直流的导出。我们设计了有两条冷却通道，采用5种不同的冷去方案对比散热效果。TENV是采用全封闭无散热结构的方案，运行到3kW功率下的温升在110℃仍然在温度限制范围内，这是所有方案里最差的情况，在测试中发现也不到120度，也就是和它的极限值有50度左右的空间，可以说这是我们能够达到的一个优势。但是我们其实把实验做严格一点，但是你实际在开车过程中是有外部气流的进入，可以实现自动的降温，但是我们在做试验的时候想避开这一环，纯粹去考虑到所有的导热，来看看在一个封闭的空间中究竟能够承受多少的热挑战。所以我们非常高兴和自豪，哪怕没有外部的冷却系统，现在做的是个极端试验，可以说是出乎我们意料的。另外两个表现最好的方案，他从外部主动的吸取空气，利用外部的空气去进行散热，温升不到80℃。

这张幻灯片其实是想和大家阐述一些关键电力电子器件的最高运行温度，我们在测试时也遴选了几个关键的器件进行观测，在TENV和TESFC配置下的额定运行工况，使用热电偶监测被识别部件的外壳/外部表面温度。他们本身也会发热，所以结论就是哪怕是非常相似的参数的条件下，在做功的时候这些零部件的温度其实是非常均衡的，大家可以去看看我们的比较数据，目前逆变器可以在全封闭设计方案下全负荷运行，所有的器件都在温度限制范围内。

还有哪些需要我们做的呢。首先是需要对于寒冷环境下进行更多的研究，特别是在整个运行寿命中，温度循环耐久是更重要的，特别是在深度集成的电机驱动系统上我们需要确保温度的循环，这是我们现在所面临的非常重要的一个挑战。除了温度之外，还有耐振动挑战。

最后总结一下采用WBG开关的CSI为未来的IMD提供了巨大的希望，包括改善高温性能，CSI-IMDs几种集成设计方案的温升测试表明，即使是完全封闭、不通风(TENV)也可以满足器件温度限制!我们需要做更多的工作来解决其他各种环境挑战，包括温度循环耐久和振动等。

我们也希望大家能够参加后续的研究工作当中，我们在威斯康星还有全球其他的研制中心都取得了进展，也进一步展示未来的深度集成电驱动系统的潜力和前景是更加光明的。

感谢大家的关注。

  （注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）