2017年10月18日,，2017中國國際節(jié)能與新能源汽車展覽會在北京國家會議中心召開,。展會同期舉行了2017(第六屆)中國互聯(lián)網(wǎng)+新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇。

　　中國科學院電工研究所主任溫旭輝就SiC器件在新能源汽車中的應用進行了闡述講解,，以下為演講實錄：

　　各位專家、各位同行,，大家好,，我今天給大家報告的主要是講技術性的問題，這個技術應該講對于電動汽車的電機驅(qū)動還是非常重要的,，就是碳化硅器件在新能源汽車電機驅(qū)動里面的一個應用,，我的報告就分以下兩個部分。

　　目前我們國家的新能源汽車已經(jīng)在世界上排名第一了,，2020年大家也都認為完成200萬輛的指標應該是可行的,，在這里面，實際上電動汽車三大關鍵技術,，其中之一就是電機,，整個電機驅(qū)動的話，它的性能實際上是直接決定了汽車的性能,，我指的是動態(tài)性能等,。

　　從電動汽車相關的專項以來的時候，一直是三縱三橫里面,，電機驅(qū)動一直作為一個關鍵技術在進行公關,，在新能源汽車中間，總結(jié)來說,，新能源汽車對于電機驅(qū)動系統(tǒng)的需求應該要求是一個高的性能來保證動力性以及增加車輛的續(xù)駛里程等,，在可靠性和安全性方面，它非常重要,，直接影響到車輛的可用性和用戶的接受度,，低成本大家都知道，實際上現(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候，實際上就意味著我們在技術上還可以做很多東西,。

　　比如說，在高性能方面,，碳化硅就是未來非常值得關注的一個技術,。因為時間只有15分鐘，我就接著講了,，碳化硅器件到底是一個什么樣的器件,，從這張圖大家看到，隨著頻率的提升和功率的提升,，實際上滿足不同的功率和開關頻率的器件,，它是電機驅(qū)動的關鍵核心部件,，但是隨著不同的頻率和開關的增長，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,，比如說10倍以上的臨界電場強度、3倍的帶隙寬度,，翻譯成我們電工行業(yè)能夠理解的就是,，用這一個器件，我們可以讓它工作在更高的電壓,，同時可以工作在更高的溫度,，理論上來說，碳化硅這個材料可以工作在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候，是不是散熱就可以取消,，至少可以簡化,。

　　另外，它非常大的一個優(yōu)勢就是,，可以提高開關頻率,，曾經(jīng)有報道說開關頻率有人給他提到了一個開關電源，做到了1兆赫茲的時候,，它還能有90%的效率,，由此而來，在我們這個行業(yè)里面,，大家都認可碳化硅器件是未來電動汽車電機驅(qū)動技術發(fā)展的一個非常關鍵的要素,，是系統(tǒng)實現(xiàn)高溫、高效,、高速運行的技術途徑,。

　　由此，最初的實驗室報道還是挺多的,，哪個實驗室在器件方面做了哪些工作,，哪個實驗室又把器件用到了控制器上面，對于我們這個行業(yè)來說,，最打眼的應該是在2013年,、2014年的時候，豐田汽車就提出,，我們將采用碳化硅的技術,，在2018年的時候把我們的車用變流器體積縮小到原來的5/1，然后把它整個的整車應用碳化硅技術以后的整車燃油效率再提升10%,。

　　后來我們看到的報道是說,，實際上節(jié)油率已經(jīng)提升了5%,，2018年沒到，我們還可以繼續(xù)看,，豐田繼續(xù)說他們已經(jīng)在日本建立了碳化硅從芯片到模塊的一個工廠,。

　　碳化硅總體來說，即使是對電力電子的行當來講,，最主要的還是從這個世紀開始才慢慢熱起來,，我們今天來講它時候，必須要從它的器件可獲得性上來說,，目前來看,，美國一個公司叫CRUI，ROM是日本公司,，現(xiàn)在都推出了600-1700伏的碳化硅27管的一個產(chǎn)品,，我們也曾經(jīng)實驗室做過，用了27管之后,，它就會沒有反向恢復電流,，效率能夠提升百分之零點幾，本身就很高了,，已經(jīng)很不錯了,。

　　另外，它還有mo sit的器件,，當然了早先的時候都是兩寸,、三寸、四寸的芯元,，這樣一來除了材料貴,，那你的芯元上尺寸越小的時候，它能夠做的芯片就越少,，成本價格就更高?，F(xiàn)在來說，6英寸已經(jīng)是一個潮流或者現(xiàn)在比較先進的水平,，這是一個國際的情況,。

　　國內(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技術,，在碳化硅上再漲更好品質(zhì)的碳化硅來做器件，以及模塊都有人在做,。

　　我接下來要給大家報告的是我們在電工中科院電工所牽頭的,，聯(lián)合了我們國家像中車時代和電子部55所,、上海電驅(qū)動,、京津電動,、浙江大學、華中科技等等一些大學和相關的龍頭企業(yè)一起在做,，碳化硅的模塊當然我們要用芯片的時候,，模塊也是一個中介，我們不可能直接用芯片,，都用模塊,，因為芯片到目前為止，我們電動車能用的最大的大流的時候,，在可用的溫度下其實沒有超過100安培,，因此我們必須要弄成模塊，這就是國外的現(xiàn)狀,，基本上目前來看,，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計,，現(xiàn)在還處在實驗室里面,。

　　國內(nèi)要慢一些，因為我們的芯片技術比別人要慢,，但是已經(jīng)有了開始,。

　　給大家看一下國際上在控制器上面的一些進展，豐田剛才已經(jīng)講過了,，日本電裝也提出用碳化硅把功率密度提高4倍,，近期要進入量產(chǎn)階段，日本三菱把剛才在這圖上看到電機,，這個電機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載實驗，在這樣的一個前提下,，2016年的時候,，我們國家的重點研發(fā)計劃，新能源汽車的專項就啟動了高溫碳化硅器件及系統(tǒng)理論和測試方法研究這樣一個課題,，我們召集了這么多的總共14家單位,，有科研院所和它對應的龍頭產(chǎn)業(yè)企業(yè)來開展，在控制器方面,，我們從來沒做過碳化硅的控制器,，要做到在105度下把控制器的功率密度做到36升，這就要求我們在現(xiàn)在的情況下200下把這個模塊做到60安培,，而且體系要降到硅模塊的3/1,。

　　接下來再往下分解的時候，我們就需要最少50安培的碳化硅器件,，這是整個的完整產(chǎn)業(yè)鏈,，我們當然在各個環(huán)節(jié)都面臨著不同的問題,，比如說在芯片方面，我們就面臨著碳化硅芯片電流倒通能力在高溫下會顯著降低的問題,，而且在這個模塊分裝的時候,，因為它的芯片高溫，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,。

　　還有一個問題我們用做絕緣的硅凝膠,，它在200度下會揮發(fā)，因此在面臨很多分裝材料,，高溫性能大幅下降,，以至這個模塊可能就不可靠，可能會失效,，當然了,，對于控制器來說，高頻開關的時候,，還是碳化硅開關速度很快,，這樣會造成EMI的問題，從整車來說,，對EMI的要求也很強,。

　　因此我們在科學問題層面分解出來三個，希望通過科學問題的來解決芯片方面的芯片結(jié)構設計,，在模塊方面準備采用平面分裝,，新型的互聯(lián)結(jié)構，在電力電子方面,，在解決了負面干擾之后來做拓撲和控制的研究,。

　　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，算下來實際上我們的電流密度肯定是和國際先進水平持平，某種算法上還高一點,，這是和產(chǎn)品比,。

　　在模塊方面，當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，所以說模塊的優(yōu)化思路不清晰是一個問題,。

　　第二個就是因為我們必須面對,，在這一兩年以內(nèi)，我們的碳化硅國產(chǎn)芯片,，單芯片的電流都比較小,，所以要封存一個600安培的模塊肯定大于50個芯片在一個模塊里面，到底怎么樣來排布,，使得它的自身電感最小,，這樣的話就使得開關更加可靠等等，還有就是熱流機松的問題在進行各種的分析,，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,，下面的第三個圖就是我們目前做的一個雙面冷卻的模塊,，在這個模塊上面的時候，首先它是雙面的,，第二個,，它再也沒有一般的模塊的建和線，另外就是做高溫開關的工作,。

　　目前做來,，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,，大家看到比較像HP1，實際上我們就是利用HP1的這些零件來做的高纖焊片,、超聲波焊接,。

　　另外一個就是我剛才講的，雙面冷卻的平面型模塊,，體積都比原來有大幅的減少,，正是因為做模塊里面很重要，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,，我們在釬焊和納米銀高方面的時候，也做了工藝的探究，這樣使得高纖焊料的時候,，空洞力小于3%,，用納米銀高的時候，及時在無壓力的燒接的模式下,，空洞力量也要下于2%,，這個都是未來保證它的可靠性的具體工作。

　　最后我們測了以后,，我們自己做平面型模塊和CRUA的模塊來測,，目前來看，從開關損耗來講相當大,，這就說明目前我們從初步來講還是成功了,。

　　在控制器方面，理論的東西我就不講了,，我講一下對大家有用的東西,，我們?nèi)ハ肴绻岩粋€控制器做小，要實現(xiàn)一個高功率密度,，單單是僅僅把模塊做小只是一個起步,，其實我們更大的體積重量的部分在電容、散熱器,，電容占了相當?shù)囊粋€體積,，25%應該不止，而且我們也是和法拉電子有過一次討論,，普通國家的國產(chǎn)電機驅(qū)動控制器的體積都比別人大,，電容量也比別人大，其中可能也有一個原因,，主要是在這邊和同行分享一下,，其實電容的作用有兩個：

　　1、它必須要為開關提供脈沖電流,，通過電池是來不及的,，因為它的阻抗很大，所以這個功能是無可取代,。你想先做一個高融資電容之前,，你要先想做一個能夠提供大損失電流的電容，這才是更正確的一件事兒,，那它當然也需要進行電壓的Data V的頻率作用,，那我把頻率提升上去就可以了，它的作用從這個公式看的出來,，你把C的容值降低的時候,，提高的頻率就會是一樣的作用,。而容值和體積是直接掛鉤的，我們做了一個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,，實際上對容值的要求是不一樣的。再一個我們盡量去降低它的集成電感,，這對于電器特性有好處,，其實對于它能夠除根它的電流也有好處，更為重要的是說要對它進行溫度的調(diào)節(jié)控制或者降溫,、散熱,。在這個一個情況下，這是我們最初的設計,，大家看這樣一個殼，這是我們的一個控制器的很大的殼,，把模塊裝在水槽上,，因為它自帶頻費，再往上裝控制板就構成整個的控制器,，我們把它叫做符合功能的電容器,，因為這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,。

　　最后我們做的實驗的結(jié)果是這樣,，許用的文波電流從180安培提升到300安培，因為有一個點測量的地方覺得很高了,，就是398這一點,，我們覺得這個測點可能不太對，就保守的來說也是1.67倍,，直接的來說可以降低C除以1.67,，這個愿意拿出來和同行分享一下，這樣一來,，這是電容,，還包括機殼，在上面把模塊裝上去,，做了一個非常小的,，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50K的控制頻率,，因為我們還是想把這個頻率提升上去，利用碳化硅的優(yōu)勢,，最后做了這樣的一個控制器,。

　　目前，我們做的時候是每升37個鉛，沒考慮溫度,，因為前面有些地方也沒考慮溫度,，現(xiàn)在的情況就是，還好讓我們對項目任務的完成有了一個信心,，這相對來說是我們整個團隊比較新的東西,，給大家報告一下，謝謝!