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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)劃成果展覽會暨高峰論壇，中國國際純電動車、混合動力車和燃料電池車及關鍵零部件技術交流展覽會暨 技術交流研討會”在北京國家會議中心盛大召開。論壇由中國電工技術學會、中國國際貿易促進會機械行業(yè)分會、汽車知識雜志社、寰球時代汽車投資管理（北京） 有限公司主辦，中國質量認證中心協(xié)辦，并得到工信部、科技部，國務院發(fā)展研究中心、中國機械工業(yè)協(xié)會、中國汽車工業(yè)咨詢委員會等單位的大力支持。
本屆論壇積極貫徹落實國家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》，總結交流各地方、各企業(yè)推進節(jié)能與新能源汽車發(fā)展的經(jīng)驗，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，為我國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建言獻策。以下是中國科學院電工研究所研究員寧圃奇博士的論壇致辭。
國科學院電工研究所研究員寧圃奇博士中國科學院電工研究所研究員寧圃奇博士
很高興今天能有這個機會給大家匯報一下高功率密度變頻器及碳化硅技術，首先做一下簡介，推動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年實現(xiàn)500萬輛的目標，而受一定的阻礙主要是價格比較 昂貴，列出了同款常規(guī)動力車和新能源車的價格對比，大家看到價格一般在1.5倍到2倍左右，昂貴的價格制約了新能源車的發(fā)展。是通過提高新能源車的關鍵部 件功率密度，來降低成本，美國能源部制定了功率密度發(fā)展目標是實現(xiàn)到2020年達到功率密度翻一番的目標，我們新能源車里邊三大關鍵部件是電機、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行提高。我們對成本的影響，大概比例進行了分析，認為功率模塊，包括芯片跟散熱來講，對于產(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化的主要單元，為了對器件進行控制，以及采集反饋信號的長短器，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，對于整個控制器進行一定的控制。
綜合來講，我們必須分析各個部分它們相互的關系，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用我們所說的第三代半 導體，在現(xiàn)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(xiàn)那么幾點，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(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)過驗證相對250度左右，這一點如果能提高它的溫 度，就能降低它的散熱。再有配備高速快速的開關，我們碳化硅一般都是幾十個納秒，這樣可以有效減少開關的能耗。
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)有硅器件的這種準備，而在我們電動汽車領 域主要是面對相對低壓一點，1200伏為主的，比如雙極型極管，這四種低壓一點的為主。具體的生產(chǎn)廠家是以美國的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，幾乎每一個都有自己的預測的芯片，但是中國有可能是買不到的。相對更開放一點，可能是歐 美這些公司，因為這種碳化硅芯片本身代價比較高，如果不是針對電動汽車運用來講，1200伏開始，可能100伏做的稍微低一點。
相對來講我國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)有是泰克天潤為主。再往后封裝公司相對多一點，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有，這個圖列出了跟我們硅的二極管進行對比的結果，明顯看出來，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，它是沒有拓撲電流，因此如果在碳化硅比較 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(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，希望在各個方面突出它的特點。首先是一些標準封裝，本身特點標準化非常強，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，再有就是現(xiàn)有驅動跟 保護的設計是為傳統(tǒng)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，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。
具體對于名面性封裝可能是未來發(fā)展的趨勢，需要做到的是三點，制造簡便，可靠性高和成本低。需要關注的幾個點，首先是芯片上表面鍍層，首先是以鋁為首的，我們希望進行焊接或者其他連接方式，希望是銅、銀進行焊接的方式。再有就是導電墊片，因為常規(guī)的芯片是跟引線鍵合設計的，如果直接進行焊接會出現(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列出來的。第二個生產(chǎn)，達到一定制造的簡便性，能提高整個生產(chǎn)效率。
首先是芯片上表面鍍層，直接購買、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，減少對芯片的損害。再往后就是絕緣層，主要以噴的方式，就是一點一點的連接，再有高流動性的凝膠，因為留出來的空隙相對較小，如果粘合 度比較高達不到效果。再有就是門級連接，其他是焊接，單獨把這個塊留出來，或者采用多次焊接的方式，或者是采用銀焊膏。再有就是工裝設計這一塊，一方面需 要最可靠一次性通行，減少生產(chǎn)時間并且減少成本，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。
再往后介紹一些有可能應用到今后的電動汽車發(fā)展，散熱方面的要求，五個方面，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散熱。現(xiàn)在電腦CPU中已經(jīng)大量運用，大家可以看到網(wǎng)上賣的CPU的散熱器，可以做到幾百瓦，下一步研究目標希望運用到電動汽車熱管中。再有就是半導體制導，科學家發(fā)現(xiàn)， 熱電偶兩個連接在一起的金屬片產(chǎn)生微小的電流，這個是逆效應，會使兩端的金屬產(chǎn)生一定的交叉，能夠制造出來隔絕內外區(qū)域，車上的小冰箱里已經(jīng)運用了，科學 家希望下一步運用到我們電動汽車當中，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，如果能夠通過冰箱原 理制造一個冷區(qū)，將會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會產(chǎn)生一定的電流，對電動汽車有沒有影響還要進一步驗證。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，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(tǒng)設計，基本上是分析系統(tǒng)的要求，確定系統(tǒng)的參數(shù)，主要需要面對的就是模塊布局、高溫封裝、驅動設計、保護設計，最終是退出高溫跟 高頻的質量，降低整體的成本。系統(tǒng)要求要確定這么一些方面，拓撲、開關頻率、無源器件設計、機械結構設計、散熱系統(tǒng)設計，基本就是一個循環(huán)的過程，選擇拓 撲，針對芯片進行計算，最終系統(tǒng)重量，最終確定各項參數(shù)。確定參數(shù)之后，面對兩個問題，一個是高溫，一個是高頻，首先是高溫帶來的挑戰(zhàn)，常溫工裝是150 度左右，升高到250度面臨到一個高溫，一個大的梯度問題，比如運用到寒冷的地方，飛機中要求負5度，也會對功率模塊產(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，價格比較昂貴。咱們常規(guī)的的模塊只能支持20次左右， 比較容易降低整個系統(tǒng)效果，最終方式是采用邊緣。再就是高頻，高速開關帶來的挑戰(zhàn)，具體來講解決的方式三種，一種是模塊布局設計，一種是驅動和保護。首先 是降低布局的方法，希望采用優(yōu)化設計，來降低整體效果，我們這里采用了本身是一種電機的設計，用微電技術里邊的方式進行。再有就是門極驅動的設計，米勒效 應突出，高速開關，上下管間有干擾，易誤動。區(qū)分開通、關斷回路、保證高速開通同時減少干擾。再有保護，保護芯片基本上采取串線微器件的一些保護，通過微 器件保護芯片來保護碳化硅芯片本身。再有就是高溫系統(tǒng)，未來高溫系統(tǒng)中整個功率的等級，我們說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，相對來講，采用是磁耦合的方式，通過拓撲匹配相應的電路。再有高溫系統(tǒng)的集成，結合變頻 器系統(tǒng)設計、集成，提升整個變速器的功率。以上就是我介紹的主要部分。
總結來講提高功率密度是降低價格的有效手段，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和外圍電路，才能達到我們的效果。
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