利用SiC高效特性提升新能源汽车电机控制器技术水平

中国汽车工业协会最新数据显示，今年1～10月我国生产新能源汽车35.5万辆，销售33.7万辆。截至今年10月底，我国新能源汽车产销量已接近80万辆。要实现2020年500万辆的目标，让更多新能源汽车走进寻常百姓家，就需要发展“买得起、跑得远和全地域”的新能源汽车。具体到车用电机驱动系统，就需要发展体积更小、效率更高、能够适应高温环境的电机驱动系统，其中车用电机控制器是关键。当前车用电机控制器基本采用以传统硅基材料为主的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）。受到材料限制，硅基功率器件特性已逼近材料本征极限，环境温度105°C时硅基电机驱动控制器的功率密度极限值约23kW/L。目前日本丰田公司采用定制化IGBT模块等技术，使控制器功率密度在65°C时达到了19kW/L，逐步逼近极限值，功率密度和效率指标已难以大幅提升。那么，出路在哪里?当前，“碳化硅（SiC）是实现功率密度提升、效率提升和成本减半的关键要素”已成为国际共识。近年来，美国能源部所部署的电动汽车电机驱动项目中60％与SiC器件应用相关；欧洲制定了SiC电力电子技术应用计划（ESCAPEE），试图突破SiC单晶材料生长技术、器件设计、器件制作以及应用技术；在近年与电动汽车用电机控制器相关的近6700项专利中，SiC器件高温、高频应用方面占37.1％。可见，SiC技术及其应用已在世界范围内成为研究热点。一代材料、一代芯片、一代系统。得益于SiC材料优势，SiC器件可以高效、高频和高温工作，从而为提升电机控制器的效率、降低体积提供了技术途径。从理论上讲，SiC电机控制器功率密度可以达到57kW/L。以一个165kW的控制器为例，SiC电机控制器理论上可以做到2.9升，大约相当于一包B5打印纸。日本丰田公司率先进行了车用SiC技术装车示范，能量效率提升了5％左右，这就意味着同样多的车载能源可以跑得更远。虽然国内外相关研究初步显示了SiC的特性优势，但距离SiC技术理论所能达到的极限仍有较大距离，其高效节能、资源节省以及成本降低的前景令人向往。具体来说，SiC芯片的理论极限温度接近600℃，单位通流能力是硅芯片的100倍。也就是说，一个200安培的SiC芯片理论上只有2.25平方毫米，600℃的工作结温就可以大大简化甚至去掉现在笨重的散热器。但现阶段SiC芯片产品标称结温上限仅为150℃、载流能力仅为硅芯片的3～5倍，尚不能显示SiC芯片高温、高容量密度的优势。SiC芯片需要电气上互连，加上机械支撑和散热器构成SiC模块，而SiC模块是车用电机控制器的核心元器件。SiC模块体积理论值是现有硅模块的1/12，但是现有SiC模块产品体积并未减小，工作温度和开关速度也受到极大限制。研究表明，虽然室温下SiC电机控制器最高功率密度已接近100kW/L，但120℃环境中强制风冷的SiC电机控制器功率密度仅为8.3kW/L。迄今为止，SiC芯片、模块和车用电机控制器研究及产业化活动主要集中在美国、日本等发达国家，我国高校、企业和研究机构近年来才陆续起步，正在构建SiC“单晶-外延-器件”研发和产业链条。针对新能源汽车的重大需求，中国科学院电工研究所联合中国科学院微电子研究所、浙江大学、中国电子科技集团公司第五十五研究所、株洲南车时代电气股份有限公司等组成攻关团队，以高温车用SiC电机控制器为研究对象，开展前沿基础科学问题和关键技术研究，最终实现将车用SiC电机驱动控制器功率密度提升到36kW/L、损耗降低50％、最高环境温度提升到105℃的目标。要实现这个目标，就需要600安培以上SiC模块和在200℃仍可以工作的SiC芯片。在SiC芯片方面，SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是关键。将单颗SiCMOSFET芯片的载流能力从当前的10安培提升到50～150安培、工作结温提高到200℃，就要厘清SiC芯片在高温下载流子输运机理，突破SiC芯片的短沟道传输等关键技术，解决高温下电流的导通能力大幅降低的问题，到2020年将SiC MOSFET电流提升到50～150安培、工作结温200℃，同时掌握高温大电流SiC芯片设计方法和自主创新的低界面态MOS栅氧氮化等核心技术。在SiC模块方面，要将SiC模块功率密度提升3倍以上、工作温度达到200℃，主要困难是模块局部高温容易造成封装材料失效和模块失效。因此，需要掌握高温下模块封装系统的多应力耦合机制及其规律，用于指导SiC模块平面封装、新型互连等关键技术研发。这样到2020年，才能拥有自主知识产权的高温SiC模块优化设计方法。在全SiC电机控制器方面，在105℃的环境中要使控制器功率密度达到36kW/L，首先要解决高密度集成下SiC高速开关所造成的电磁干扰强这个技术难题。要探明由SiC快速、高频开关和高密度集成所造成的电磁干扰源特性、高频支路特性，掌握电磁干扰产生和传播的规律，以及降低电磁干扰负面影响的方法。然后，针对电动汽车应用特点来优选拓扑，采用定制器件、组件功能复用、高效散热等电力电子集成方法和多级协同控制等来提升功率密度。与此同时，为推进SiC器件和车用电机驱动系统产业提升，还需开展SiC器件和SiC电机驱动控制器测评技术及行业规范研究。总体来说，在这个项目中，通过高温/高电场强下SiC芯片载流子输运机理、高温/高场强下SiC模块封装系统多应力耦合机制和高温车用SiC电机驱动控制器电磁干扰产生及传播机理科学问题的解决，发展高温电力电子学；突破SiC芯片电流输运增强技术、SiC平面型双面冷却封装技术和SiC电机驱动控制器高功率密度集成等关键技术，将设计理论、核心工艺、集成技术及模型仿真等方面研究工作有机结合，将车用SiC电机驱动控制器功率密度提升4倍以上、损耗降低50％、最高环境温度提升到105℃，实现我国高温车用SiC电机驱动控制器零的突破，以抢占下一代新能源汽车用电机驱动系统技术制高点，为SiC技术在新能源汽车领域的广泛应用打下基础。感谢原作者的付出，如转载不当，请及时联系我们。