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2014 年10月17日—18日，“節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃成果展覽會(huì )暨高峰論壇，中國國際純電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)和燃料電池車(chē)及關(guān)鍵零部件技術(shù)交流展覽會(huì )暨 技術(shù)交流研討會(huì )”在北京國家會(huì )議中心盛大召開(kāi)。論壇由中國電工技術(shù)學(xué)會(huì )、中國國際貿易促進(jìn)會(huì )機械行業(yè)分會(huì )、汽車(chē)知識雜志社、寰球時(shí)代汽車(chē)投資管理（北京） 有限公司主辦，中國質(zhì)量認證中心協(xié)辦，并得到工信部、科技部，國務(wù)院發(fā)展研究中心、中國機械工業(yè)協(xié)會(huì )、中國汽車(chē)工業(yè)咨詢(xún)委員會(huì )等單位的大力支持。
本屆論壇積極貫徹落實(shí)國家《節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃（2012—2020年）》，總結交流各地方、各企業(yè)推進(jìn)節能與新能源汽車(chē)發(fā)展的經(jīng)驗，深入探討了節能與新能源汽車(chē)加快發(fā)展的制度環(huán)境等議題，為我國節能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建言獻策。以下是中國科學(xué)院電工研究所研究員寧圃奇博士的論壇致辭。
國科學(xué)院電工研究所研究員寧圃奇博士中國科學(xué)院電工研究所研究員寧圃奇博士
很高興今天能有這個(gè)機會(huì )給大家匯報一下高功率密度變頻器及碳化硅技術(shù)，首先做一下簡(jiǎn)介，推動(dòng)封裝與冷卻有效提高車(chē)用電車(chē)的冷卻，之后如何用好碳化硅芯片，搭建高功率密度變頻器。大家看一下新能源汽車(chē)發(fā) 展的要求，今天上午很多人也提到了，世界各國都在努力的發(fā)展新能源的產(chǎn)業(yè)，我國也是預計到2020年實(shí)現500萬(wàn)輛的目標，而受一定的阻礙主要是價(jià)格比較 昂貴，列出了同款常規動(dòng)力車(chē)和新能源車(chē)的價(jià)格對比，大家看到價(jià)格一般在1.5倍到2倍左右，昂貴的價(jià)格制約了新能源車(chē)的發(fā)展。是通過(guò)提高新能源車(chē)的關(guān)鍵部 件功率密度，來(lái)降低成本，美國能源部制定了功率密度發(fā)展目標是實(shí)現到2020年達到功率密度翻一番的目標，我們新能源車(chē)里邊三大關(guān)鍵部件是電機、電控、電 池，今天這里主要分享一下變頻器它的功率密度如何進(jìn)行提高。我們對成本的影響，大概比例進(jìn)行了分析，認為功率模塊，包括芯片跟散熱來(lái)講，對于產(chǎn)品成本影響 是非常大的。具體來(lái)說(shuō)，我們控制器其中，功率芯片成為能量轉化的主要單元，為了對器件進(jìn)行控制，以及采集反饋信號的長(cháng)短器，再有在系統中必不可少是能量的 電容、電壓還需要電板，進(jìn)行能量的儲存。之后還要配合一定控制策略和結構，對于整個(gè)控制器進(jìn)行一定的控制。
綜合來(lái)講，我們必須分析各個(gè)部分它們相互的關(guān)系，綜合起來(lái)搭建系統，而在我們剛開(kāi)始所介紹的功能器件部分，其中比較重要是希望能夠運用我們所說(shuō)的第三代半 導體，在現有芯片發(fā)展的階段，大部分認為化硅芯片是比較合適的，具體它的優(yōu)勢首先是一種器件，具體做成芯片之后，體現那么幾點(diǎn)，首先是導通電阻小，因為在 我們芯片成本基本是呈正比，如果有效減小芯片的面積，能夠起到降低功率模塊成本的條件，之后是可以高溫運行，咱們常規的是125度，175度大概是兩三年 前開(kāi)始出現，現在用到真正的電控設備上，可能相對較少，我們芯片本身理論工作值應該達到600度左右，經(jīng)過(guò)驗證相對250度左右，這一點(diǎn)如果能提高它的溫 度，就能降低它的散熱。再有配備高速快速的開(kāi)關(guān)，我們碳化硅一般都是幾十個(gè)納秒，這樣可以有效減少開(kāi)關(guān)的能耗。
具體的來(lái)講，碳化硅芯片研究開(kāi)發(fā)這方面，幾乎是覆蓋了現有硅器件的這種準備，而在我們電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng) 域主要是面對相對低壓一點(diǎn)，1200伏為主的，比如雙極型極管，這四種低壓一點(diǎn)的為主。具體的生產(chǎn)廠(chǎng)家是以美國的GREE公司和日本的ROHM，再有其他 的公司主要以美國、歐洲以及日本的公司為主，大家看到在日本發(fā)展，幾乎每一個(gè)都有自己的預測的芯片，但是中國有可能是買(mǎi)不到的。相對更開(kāi)放一點(diǎn)，可能是歐 美這些公司，因為這種碳化硅芯片本身代價(jià)比較高，如果不是針對電動(dòng)汽車(chē)運用來(lái)講，1200伏開(kāi)始，可能100伏做的稍微低一點(diǎn)。
相對來(lái)講我國的碳化硅還處在研發(fā)階段，目前沒(méi)有大批量生產(chǎn)的芯片，主要是山東天岳、天科合達等一些做這種外延的，器件方向處于研發(fā)階段的可能多一些，像電 網(wǎng)，南車(chē)，真正做產(chǎn)品出來(lái)的現有是泰克天潤為主。再往后封裝公司相對多一點(diǎn)，咱們做硅器件的，電路應用主要以科研院所為主，普通院校做的可能沒(méi)有那么超 前。
下面介紹一下幾種器件的優(yōu)勢，首先是二極管，它是一種單極性的器件，它的反向供電幾乎沒(méi)有，這個(gè)圖列出了跟我們硅的二極管進(jìn)行對比的結果，明顯看出來(lái)，損 耗相當小，因此也有很多公司在利用碳化硅，它的主要特點(diǎn)希望能夠在頻率比較高的情況下，使得損耗能夠有大幅的優(yōu)勢，具體來(lái)講硅的二極管，由于本身限制，因 此也是不具備跟碳化硅的二極管相比較的可能性。再有就是硅器件，道理也差不多，它是單體性的器件，因此跟硅相比，它是沒(méi)有拓撲電流，因此如果在碳化硅比較 高的情況下，比如現在咱們常用的車(chē)用空氣里邊，以5K、10K，大家希望運用碳化硅芯片是從50K赫茲開(kāi)始。
再往后如果直接套用碳化硅芯片，套用現有的一些硅器件運用的基礎，可能不能充分發(fā)揮碳化硅芯片本身的特征，由于現階段發(fā)展的限制，碳化硅芯片本身存在產(chǎn)品 成品較貴的特質(zhì)，希望在各個(gè)方面突出它的特點(diǎn)。首先是一些標準封裝，本身特點(diǎn)標準化非常強，套到哪里都能用，但是里邊連接，沒(méi)有能夠突出發(fā)揮碳化硅芯片體 系較小的特點(diǎn)，再有就是現有驅動(dòng)跟 保護的設計是為傳統的硅芯片設計的。再有散熱，芯片非常小，碳化硅芯片放在一起，局部的熱流非常大，因此需要努力開(kāi)發(fā)一些新型的散熱方式，如果還要應用高 溫特征，還是要實(shí)現高溫模塊化的發(fā)展，最終是希望能夠做到高功率密度，高效率，真正把新型的芯片運用到我們新能源車(chē)之中，起到降低總體成本的效果。
下面就車(chē)用高密度變頻器與碳化硅芯片的介紹，首先回顧一下發(fā)展的趨勢，我們把它分為三代，第一代就是傳統的引線(xiàn)鍵合或者單面冷卻。第二代采用平面性封裝或 者集成冷卻的方式，第三種就是集成型雙面冷卻，目的是使單體散熱能力繼續加大，可以使得芯片取得翻倍的效果，從效果來(lái)講還是起到了節約芯片面積，降低成本 的目標。
具體對于名面性封裝可能是未來(lái)發(fā)展的趨勢，需要做到的是三點(diǎn)，制造簡(jiǎn)便，可靠性高和成本低。需要關(guān)注的幾個(gè)點(diǎn)，首先是芯片上表面鍍層，首先是以鋁為首的，我們希望進(jìn)行焊接或者其他連接方式，希望是銅、銀進(jìn)行焊接的方式。再有就是導電墊片，因為常規的芯片是跟引線(xiàn)鍵合設計的，如果直接進(jìn)行焊接會(huì )出現擊穿局部，因此往往要在上邊墊一層墊片。還有就是絕緣層，而且門(mén)極連接是非常重要的，所以這方面是要單獨列出來(lái)的。第二個(gè)生產(chǎn)，達到一定制造的簡(jiǎn)便性，能提高整個(gè)生產(chǎn)效率。
首先是芯片上表面鍍層，直接購買(mǎi)、濺射處理，再往后是電鍍，再往后是鉬片熔融，再往后鋁鋁焊接。再往后就是墊片層，熱、CTE較差，采用的方式是銅或者其 他一些核電的方式，減少對芯片的損害。再往后就是絕緣層，主要以噴的方式，就是一點(diǎn)一點(diǎn)的連接，再有高流動(dòng)性的凝膠，因為留出來(lái)的空隙相對較小，如果粘合 度比較高達不到效果。再有就是門(mén)級連接，其他是焊接，單獨把這個(gè)塊留出來(lái)，或者采用多次焊接的方式，或者是采用銀焊膏。再有就是工裝設計這一塊，一方面需 要最可靠一次性通行，減少生產(chǎn)時(shí)間并且減少成本，如果做不到就要分開(kāi)工裝，希望能處理芯片，這樣也能起到提高生產(chǎn)效率的目標。
再往后介紹一些有可能應用到今后的電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展，散熱方面的要求，五個(gè)方面，首先是熱管傳熱方面，熱管傳熱大家知道是良好的導熱的方式，通過(guò)向內部，散熱 能力是銅的大約十倍左右，希望在今后運用這種方式替代銅直接來(lái)散熱?，F在電腦CPU中已經(jīng)大量運用，大家可以看到網(wǎng)上賣(mài)的CPU的散熱器，可以做到幾百瓦，下一步研究目標希望運用到電動(dòng)汽車(chē)熱管中。再有就是半導體制導，科學(xué)家發(fā)現， 熱電偶兩個(gè)連接在一起的金屬片產(chǎn)生微小的電流，這個(gè)是逆效應，會(huì )使兩端的金屬產(chǎn)生一定的交叉，能夠制造出來(lái)隔絕內外區域，車(chē)上的小冰箱里已經(jīng)運用了，科學(xué) 家希望下一步運用到我們電動(dòng)汽車(chē)當中，就是60度或者65度為主，今后跟機械合在一起是120度、125度，有可能達不到很好的效果，如果能夠通過(guò)冰箱原 理制造一個(gè)冷區，將會(huì )有可能提高我們單位芯片的利用效率。再往后是液態(tài)金屬利用，這種方式它的散熱能力是我們水的70倍左右，因此采用高效率的散熱也是能 夠提高總體的散熱效果，需要注意的是它的電自動(dòng)會(huì )產(chǎn)生一定的電流，對電動(dòng)汽車(chē)有沒(méi)有影響還要進(jìn)一步驗證。再就是塑料化的形式，傳統都是鋁，有一部分用銅的 方式，還是比較好的塑料，并且通過(guò)塑料成形比較簡(jiǎn)易的方式，直接噴射在底部，可能功率要求不太高的情況下，希望能夠替代我們現有的鋁或者銅的重量較大的芯 片。再往后就是基板與散熱集成，只不過(guò)集成化也是我們的大趨勢，也是能夠減少我們傳熱回熱的熱阻，達到散熱的目的。
再就是碳化硅變頻器的系統設計，基本上是分析系統的要求，確定系統的參數，主要需要面對的就是模塊布局、高溫封裝、驅動(dòng)設計、保護設計，最終是退出高溫跟 高頻的質(zhì)量，降低整體的成本。系統要求要確定這么一些方面，拓撲、開(kāi)關(guān)頻率、無(wú)源器件設計、機械結構設計、散熱系統設計，基本就是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，選擇拓 撲，針對芯片進(jìn)行計算，最終系統重量，最終確定各項參數。確定參數之后，面對兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是高溫，一個(gè)是高頻，首先是高溫帶來(lái)的挑戰，常溫工裝是150 度左右，升高到250度面臨到一個(gè)高溫，一個(gè)大的梯度問(wèn)題，比如運用到寒冷的地方，飛機中要求負5度，也會(huì )對功率模塊產(chǎn)生很大的影響。另外剛才說(shuō)的高溫模 塊，這里希望是采用焊接或者說(shuō)雙弧焊的方式，選擇耐高溫的焊接，高鉛跟金子焊接為主，金子是硬一點(diǎn)，價(jià)格比較昂貴。咱們常規的的模塊只能支持20次左右， 比較容易降低整個(gè)系統效果，最終方式是采用邊緣。再就是高頻，高速開(kāi)關(guān)帶來(lái)的挑戰，具體來(lái)講解決的方式三種，一種是模塊布局設計，一種是驅動(dòng)和保護。首先 是降低布局的方法，希望采用優(yōu)化設計，來(lái)降低整體效果，我們這里采用了本身是一種電機的設計，用微電技術(shù)里邊的方式進(jìn)行。再有就是門(mén)極驅動(dòng)的設計，米勒效 應突出，高速開(kāi)關(guān)，上下管間有干擾，易誤動(dòng)。區分開(kāi)通、關(guān)斷回路、保證高速開(kāi)通同時(shí)減少干擾。再有保護，保護芯片基本上采取串線(xiàn)微器件的一些保護，通過(guò)微 器件保護芯片來(lái)保護碳化硅芯片本身。再有就是高溫系統，未來(lái)高溫系統中整個(gè)功率的等級，我們說(shuō)導電回路希望能夠做到高溫，整體都能達到200度的效果，不 僅僅是功率密度本身。首先是缺乏高溫的光耦，效果可能就比較差了，相對來(lái)講，采用是磁耦合的方式，通過(guò)拓撲匹配相應的電路。再有高溫系統的集成，結合變頻 器系統設計、集成，提升整個(gè)變速器的功率。以上就是我介紹的主要部分。
總結來(lái)講提高功率密度是降低價(jià)格的有效手段，有效途經(jīng)是采用新型封裝與散熱，充分運用碳化硅芯片的優(yōu)勢，還是希望匹配相應的驅動(dòng)和外圍電路，才能達到我們的效果。
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