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

　　各位專家、各位同行，大家好，我今天給大家報(bào)告的主要是講技術(shù)性的問題，這個(gè)技術(shù)應(yīng)該講對于電動汽車的電機(jī)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(jī)驅(qū)動里面的一個(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(rèn)為完成200萬輛的指標(biāo)應(yīng)該是可行的，在這里面，實(shí)際上電動汽車三大關(guān)鍵技術(shù)，其中之一就是電機(jī)，整個(gè)電機(jī)驅(qū)動的話，它的性能實(shí)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(guān)的專項(xiàng)以來的時(shí)候，一直是三縱三橫里面，電機(jī)驅(qū)動一直作為一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在進(jìn)行公關(guān)，在新能源汽車中間，總結(jié)來說，新能源汽車對于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的需求應(yīng)該要求是一個(gè)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(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)際上就意味著我們在技術(shù)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(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)際上滿足不同的功率和開關(guān)頻率的器件，它是電機(jī)驅(qū)動的關(guān)鍵核心部件，但是隨著不同的頻率和開關(guān)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(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，理論上來說，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，至少可以簡化。

　　另外，它非常大的一個(gè)優(yōu)勢就是，可以提高開關(guān)頻率，曾經(jīng)有報(bào)道說開關(guān)頻率有人給他提到了一個(gè)開關(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，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電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(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，對于我們這個(gè)行業(yè)來說，最打眼的應(yīng)該是在2013年、2014年的時(shí)候，豐田汽車就提出，我們將采用碳化硅的技術(shù)，在2018年的時(shí)候把我們的車用變流器體積縮小到原來的5/1，然后把它整個(gè)的整車應(yīng)用碳化硅技術(shù)以后的整車燃油效率再提升10%。

　　后來我們看到的報(bào)道是說，實(shí)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(gè)工廠。

　　碳化硅總體來說，即使是對電力電子的行當(dāng)來講，最主要的還是從這個(gè)世紀(jì)開始才慢慢熱起來，我們今天來講它時(shí)候，必須要從它的器件可獲得性上來說，目前來看，美國一個(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，用了27管之后，它就會沒有反向恢復(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)在來說，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(gè)技術(shù)，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(bào)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(shí)代和電子部55所、上海電驅(qū)動、京津電動、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侥壳盀橹梗覀冸妱榆嚹苡玫淖畲蟮拇罅鞯臅r(shí)候，在可用的溫度下其實(shí)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(shè)計(jì)，現(xiàn)在還處在實(shí)驗(yàn)室里面。

　　國內(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)有了開始。

　　給大家看一下國際上在控制器上面的一些進(jìn)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(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載實(shí)驗(yàn)，在這樣的一個(gè)前提下，2016年的時(shí)候，我們國家的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，新能源汽車的專項(xiàng)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(gè)課題，我們召集了這么多的總共14家單位，有科研院所和它對應(yīng)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(gè)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(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(gè)模塊分裝的時(shí)候，因?yàn)樗男酒邷兀倚酒娣e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(gè)模塊可能就不可靠，可能會失效，當(dāng)然了，對于控制器來說，高頻開關(guān)的時(shí)候，還是碳化硅開關(guān)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(qiáng)。

　　因此我們在科學(xué)問題層面分解出來三個(gè)，希望通過科學(xué)問題的來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，算下來實(shí)際上我們的電流密度肯定是和國際先進(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，所以說模塊的優(yōu)化思路不清晰是一個(gè)問題。

　　第二個(gè)就是因?yàn)槲覀儽仨毭鎸?，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(gè)600安培的模塊肯定大于50個(gè)芯片在一個(gè)模塊里面，到底怎么樣來排布，使得它的自身電感最小，這樣的話就使得開關(guān)更加可靠等等，還有就是熱流機(jī)松的問題在進(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)，它再也沒有一般的模塊的建和線，另外就是做高溫開關(guān)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(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，我們在釬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(guān)損耗來講相當(dāng)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€(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一次討論，普通國家的國產(chǎn)電機(jī)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(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、它必須要為開關(guān)提供脈沖電流，通過電池是來不及的，因?yàn)樗淖杩购艽?，所以這個(gè)功能是無可取代。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，你把C的容值降低的時(shí)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(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，這對于電器特性有好處，其實(shí)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(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)測量的地方覺得很高了，就是398這一點(diǎn)，我們覺得這個(gè)測點(diǎn)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(gè)愿意拿出來和同行分享一下，這樣一來，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，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，沒考慮溫度，因?yàn)榍懊嬗行┑胤揭矝]考慮溫度，現(xiàn)在的情況就是，還好讓我們對項(xiàng)目任務(wù)的完成有了一個(gè)信心，這相對來說是我們整個(gè)團(tuán)隊(duì)比較新的東西，給大家報(bào)告一下，謝謝!