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2014 年10月17日—18日，“節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃成果展覽會(huì)暨高峰論壇，中國(guó)國(guó)際純電動(dòng)車、混合動(dòng)力車和燃料電池車及關(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(guó)家會(huì)議中心盛大召開。論壇由中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)、中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)會(huì)機(jī)械行業(yè)分會(huì)、汽車知識(shí)雜志社、寰球時(shí)代汽車投資管理（北京） 有限公司主辦，中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心協(xié)辦，并得到工信部、科技部，國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心、中國(guó)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)汽車工業(yè)咨詢委員會(huì)等單位的大力支持。
本屆論壇積極貫徹落實(shí)國(guó)家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，總結(jié)交流各地方、各企業(yè)推進(jìn)節(jié)能與新能源汽車發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，深入探討了節(jié)能與新能源汽車加快發(fā)展的制度環(huán)境等議題，為我國(guó)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建言獻(xiàn)策。以下是中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員寧圃奇博士的論壇致辭。
國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員寧圃奇博士中國(guó)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(jī)會(huì)給大家匯報(bào)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用電車的冷卻，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發(fā) 展的要求，今天上午很多人也提到了，世界各國(guó)都在努力的發(fā)展新能源的產(chǎn)業(yè)，我國(guó)也是預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)500萬輛的目標(biāo)，而受一定的阻礙主要是價(jià)格比較 昂貴，列出了同款常規(guī)動(dòng)力車和新能源車的價(jià)格對(duì)比，大家看到價(jià)格一般在1.5倍到2倍左右，昂貴的價(jià)格制約了新能源車的發(fā)展。是通過提高新能源車的關(guān)鍵部 件功率密度，來降低成本，美國(guó)能源部制定了功率密度發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)到2020年達(dá)到功率密度翻一番的目標(biāo)，我們新能源車?yán)镞吶箨P(guān)鍵部件是電機(jī)、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(duì)成本的影響，大概比例進(jìn)行了分析，認(rèn)為功率模塊，包括芯片跟散熱來講，對(duì)于產(chǎn)品成本影響 是非常大的。具體來說，我們控制器其中，功率芯片成為能量轉(zhuǎn)化的主要單元，為了對(duì)器件進(jìn)行控制，以及采集反饋信號(hào)的長(zhǎng)短器，再有在系統(tǒng)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(chǔ)存。之后還要配合一定控制策略和結(jié)構(gòu)，對(duì)于整個(gè)控制器進(jìn)行一定的控制。
綜合來講，我們必須分析各個(gè)部分它們相互的關(guān)系，綜合起來搭建系統(tǒng)，而在我們剛開始所介紹的功能器件部分，其中比較重要是希望能夠運(yùn)用我們所說的第三代半 導(dǎo)體，在現(xiàn)有芯片發(fā)展的階段，大部分認(rèn)為化硅芯片是比較合適的，具體它的優(yōu)勢(shì)首先是一種器件，具體做成芯片之后，體現(xiàn)那么幾點(diǎn)，首先是導(dǎo)通電阻小，因?yàn)樵?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(yùn)行，咱們常規(guī)的是125度，175度大概是兩三年 前開始出現(xiàn)，現(xiàn)在用到真正的電控設(shè)備上，可能相對(duì)較少，我們芯片本身理論工作值應(yīng)該達(dá)到600度左右，經(jīng)過驗(yàn)證相對(duì)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關(guān)的能耗。
具體的來講，碳化硅芯片研究開發(fā)這方面，幾乎是覆蓋了現(xiàn)有硅器件的這種準(zhǔn)備，而在我們電動(dòng)汽車領(lǐng) 域主要是面對(duì)相對(duì)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)廠家是以美國(guó)的GREE公司和日本的ROHM，再有其他 的公司主要以美國(guó)、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(yù)測(cè)的芯片，但是中國(guó)有可能是買不到的。相對(duì)更開放一點(diǎn)，可能是歐 美這些公司，因?yàn)檫@種碳化硅芯片本身代價(jià)比較高，如果不是針對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)用來講，1200伏開始，可能100伏做的稍微低一點(diǎn)。
相對(duì)來講我國(guó)的碳化硅還處在研發(fā)階段，目前沒有大批量生產(chǎn)的芯片，主要是山東天岳、天科合達(dá)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，真正做產(chǎn)品出來的現(xiàn)有是泰克天潤(rùn)為主。再往后封裝公司相對(duì)多一點(diǎn)，咱們做硅器件的，電路應(yīng)用主要以科研院所為主，普通院校做的可能沒有那么超 前。
下面介紹一下幾種器件的優(yōu)勢(shì)，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有，這個(gè)圖列出了跟我們硅的二極管進(jìn)行對(duì)比的結(jié)果，明顯看出來，損 耗相當(dāng)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(shì)，具體來講硅的二極管，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，它是沒有拓?fù)潆娏鳎虼巳绻谔蓟璞容^ 高的情況下，比如現(xiàn)在咱們常用的車用空氣里邊，以5K、10K，大家希望運(yùn)用碳化硅芯片是從50K赫茲開始。
再往后如果直接套用碳化硅芯片，套用現(xiàn)有的一些硅器件運(yùn)用的基礎(chǔ)，可能不能充分發(fā)揮碳化硅芯片本身的特征，由于現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)封裝，本身特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化非常強(qiáng)，套到哪里都能用，但是里邊連接，沒有能夠突出發(fā)揮碳化硅芯片體 系較小的特點(diǎn)，再有就是現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)跟 保護(hù)的設(shè)計(jì)是為傳統(tǒng)的硅芯片設(shè)計(jì)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，因此需要努力開發(fā)一些新型的散熱方式，如果還要應(yīng)用高 溫特征，還是要實(shí)現(xiàn)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(yùn)用到我們新能源車之中，起到降低總體成本的效果。
下面就車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(shì)，我們把它分為三代，第一代就是傳統(tǒng)的引線鍵合或者單面冷卻。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(xù)加大，可以使得芯片取得翻倍的效果，從效果來講還是起到了節(jié)約芯片面積，降低成本 的目標(biāo)。
具體對(duì)于名面性封裝可能是未來發(fā)展的趨勢(shì)，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(dǎo)電墊片，因?yàn)槌Ｒ?guī)的芯片是跟引線鍵合設(shè)計(jì)的，如果直接進(jìn)行焊接會(huì)出現(xiàn)擊穿局部，因此往往要在上邊墊一層墊片。還有就是絕緣層，而且門極連接是非常重要的，所以這方面是要單獨(dú)列出來的。第二個(gè)生產(chǎn)，達(dá)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(gòu)買、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(duì)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?yàn)榱舫鰜淼目障断鄬?duì)較小，如果粘合 度比較高達(dá)不到效果。再有就是門級(jí)連接，其他是焊接，單獨(dú)把這個(gè)塊留出來，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(shè)計(jì)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(biāo)。
再往后介紹一些有可能應(yīng)用到今后的電動(dòng)汽車發(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(dǎo)熱的方式，通過向內(nèi)部，散熱 能力是銅的大約十倍左右，希望在今后運(yùn)用這種方式替代銅直接來散熱。現(xiàn)在電腦CPU中已經(jīng)大量運(yùn)用，大家可以看到網(wǎng)上賣的CPU的散熱器，可以做到幾百瓦，下一步研究目標(biāo)希望運(yùn)用到電動(dòng)汽車熱管中。再有就是半導(dǎo)體制導(dǎo)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)， 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(yīng)，會(huì)使兩端的金屬產(chǎn)生一定的交叉，能夠制造出來隔絕內(nèi)外區(qū)域，車上的小冰箱里已經(jīng)運(yùn)用了，科學(xué) 家希望下一步運(yùn)用到我們電動(dòng)汽車當(dāng)中，就是60度或者65度為主，今后跟機(jī)械合在一起是120度、125度，有可能達(dá)不到很好的效果，如果能夠通過冰箱原 理制造一個(gè)冷區(qū)，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(duì)電動(dòng)汽車有沒有影響還要進(jìn)一步驗(yàn)證。再就是塑料化的形式，傳統(tǒng)都是鋁，有一部分用銅的 方式，還是比較好的塑料，并且通過塑料成形比較簡(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(xiàn)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，只不過集成化也是我們的大趨勢(shì)，也是能夠減少我們傳熱回?zé)岬臒嶙瑁_(dá)到散熱的目的。
再就是碳化硅變頻器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本上是分析系統(tǒng)的要求，確定系統(tǒng)的參數(shù)，主要需要面對(duì)的就是模塊布局、高溫封裝、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、保護(hù)設(shè)計(jì)，最終是退出高溫跟 高頻的質(zhì)量，降低整體的成本。系統(tǒng)要求要確定這么一些方面，拓?fù)洹㈤_關(guān)頻率、無源器件設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本就是一個(gè)循環(huán)的過程，選擇拓 撲，針對(duì)芯片進(jìn)行計(jì)算，最終系統(tǒng)重量，最終確定各項(xiàng)參數(shù)。確定參數(shù)之后，面對(duì)兩個(gè)問題，一個(gè)是高溫，一個(gè)是高頻，首先是高溫帶來的挑戰(zhàn)，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)大的梯度問題，比如運(yùn)用到寒冷的地方，飛機(jī)中要求負(fù)5度，也會(huì)對(duì)功率模塊產(chǎn)生很大的影響。另外剛才說的高溫模 塊，這里希望是采用焊接或者說雙弧焊的方式，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(guī)的的模塊只能支持20次左右， 比較容易降低整個(gè)系統(tǒng)效果，最終方式是采用邊緣。再就是高頻，高速開關(guān)帶來的挑戰(zhàn)，具體來講解決的方式三種，一種是模塊布局設(shè)計(jì)，一種是驅(qū)動(dòng)和保護(hù)。首先 是降低布局的方法，希望采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，來降低整體效果，我們這里采用了本身是一種電機(jī)的設(shè)計(jì)，用微電技術(shù)里邊的方式進(jìn)行。再有就是門極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，米勒效 應(yīng)突出，高速開關(guān)，上下管間有干擾，易誤動(dòng)。區(qū)分開通、關(guān)斷回路、保證高速開通同時(shí)減少干擾。再有保護(hù)，保護(hù)芯片基本上采取串線微器件的一些保護(hù)，通過微 器件保護(hù)芯片來保護(hù)碳化硅芯片本身。再有就是高溫系統(tǒng)，未來高溫系統(tǒng)中整個(gè)功率的等級(jí)，我們說導(dǎo)電回路希望能夠做到高溫，整體都能達(dá)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(duì)來講，采用是磁耦合的方式，通過拓?fù)淦ヅ湎鄳?yīng)的電路。再有高溫系統(tǒng)的集成，結(jié)合變頻 器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(jié)來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(yùn)用碳化硅芯片的優(yōu)勢(shì)，還是希望匹配相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和外圍電路，才能達(dá)到我們的效果。
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