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温旭辉:SiC器件在新能源汽车中的应用

发布日期:2017-11-01  浏览次数:484
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   2017年10月18日,2017中国国际节能与新能源汽车展览会在北京国家会议中心召开。展会同期举行了2017(第六届)中国互联网+新能源汽车产业发展高峰论坛。

  中国科学院电工研究所主任温旭辉就SiC器件在新能源汽车中的应用进行了阐述讲解,以下为演讲实录:

  各位专家、各位同行,大家好,我今天给大家报告的主要是讲技术性的问题,这个技术应该讲对于电动汽车的电机驱动还是非常重要的,就是碳化硅器件在新能源汽车电机驱动里面的一个应用,我的报告就分以下两个部分。

  目前我们国家的新能源汽车已经在世界上排名第一了,2020年大家也都认为完成200万辆的指标应该是可行的,在这里面,实际上电动汽车三大关键技术,其中之一就是电机,整个电机驱动的话,它的性能实际上是直接决定了汽车的性能,我指的是动态性能等。

  从电动汽车相关的专项以来的时候,一直是三纵三横里面,电机驱动一直作为一个关键技术在进行公关,在新能源汽车中间,总结来说,新能源汽车对于电机驱动系统的需求应该要求是一个高的性能来保证动力性以及增加车辆的续驶里程等,在可靠性和安全性方面,它非常重要,直接影响到车辆的可用性和用户的接受度,低成本大家都知道,实际上现在零部件厂商每一天都面临着高质量、低成本的压力,在这些需求的下一层的时候,实际上就意味着我们在技术上还可以做很多东西。

  比如说,在高性能方面,碳化硅就是未来非常值得关注的一个技术。因为时间只有15分钟,我就接着讲了,碳化硅器件到底是一个什么样的器件,从这张图大家看到,随着频率的提升和功率的提升,实际上满足不同的功率和开关频率的器件,它是电机驱动的关键核心部件,但是随着不同的频率和开关的增长,基于硅材料的ICPT的性能已经接近理论的极限,碳化硅有很多优势,比如说10倍以上的临界电场强度、3倍的带隙宽度,翻译成我们电工行业能够理解的就是,用这一个器件,我们可以让它工作在更高的电压,同时可以工作在更高的温度,理论上来说,碳化硅这个材料可以工作在600度,现在大家努力的方向是200多度,如果它真的能够工作这么多度的时候,是不是散热就可以取消,至少可以简化。

  另外,它非常大的一个优势就是,可以提高开关频率,曾经有报道说开关频率有人给他提到了一个开关电源,做到了1兆赫兹的时候,它还能有90%的效率,由此而来,在我们这个行业里面,大家都认可碳化硅器件是未来电动汽车电机驱动技术发展的一个非常关键的要素,是系统实现高温、高效、高速运行的技术途径。

  由此,最初的实验室报道还是挺多的,哪个实验室在器件方面做了哪些工作,哪个实验室又把器件用到了控制器上面,对于我们这个行业来说,最打眼的应该是在2013年、2014年的时候,丰田汽车就提出,我们将采用碳化硅的技术,在2018年的时候把我们的车用变流器体积缩小到原来的5/1,然后把它整个的整车应用碳化硅技术以后的整车燃油效率再提升10%。

  后来我们看到的报道是说,实际上节油率已经提升了5%,2018年没到,我们还可以继续看,丰田继续说他们已经在日本建立了碳化硅从芯片到模块的一个工厂。

  碳化硅总体来说,即使是对电力电子的行当来讲,最主要的还是从这个世纪开始才慢慢热起来,我们今天来讲它时候,必须要从它的器件可获得性上来说,目前来看,美国一个公司叫CRUI,ROM是日本公司,现在都推出了600-1700伏的碳化硅27管的一个产品,我们也曾经实验室做过,用了27管之后,它就会没有反向恢复电流,效率能够提升百分之零点几,本身就很高了,已经很不错了。

  另外,它还有mo sit的器件,当然了早先的时候都是两寸、三寸、四寸的芯元,这样一来除了材料贵,那你的芯元上尺寸越小的时候,它能够做的芯片就越少,成本价格就更高。现在来说,6英寸已经是一个潮流或者现在比较先进的水平,这是一个国际的情况。

  国内也在逐步形成这种产业链,大家可以看到这张片子,从衬底就是材料到外延是一个技术,在碳化硅上再涨更好品质的碳化硅来做器件,以及模块都有人在做。

  我接下来要给大家报告的是我们在电工中科院电工所牵头的,联合了我们国家像中车时代和电子部55所、上海电驱动、京津电动、浙江大学、华中科技等等一些大学和相关的龙头企业一起在做,碳化硅的模块当然我们要用芯片的时候,模块也是一个中介,我们不可能直接用芯片,都用模块,因为芯片到目前为止,我们电动车能用的最大的大流的时候,在可用的温度下其实没有超过100安培,因此我们必须要弄成模块,这就是国外的现状,基本上目前来看,还是在利用现有的硅器件的分装和焊接单面散热的分装的形式,真正能够利用碳化硅的高温和高频特性的设计,现在还处在实验室里面。

  国内要慢一些,因为我们的芯片技术比别人要慢,但是已经有了开始。

  给大家看一下国际上在控制器上面的一些进展,丰田刚才已经讲过了,日本电装也提出用碳化硅把功率密度提高4倍,近期要进入量产阶段,日本三菱把刚才在这图上看到电机,这个电机的后端就是电力电子的控制器,电产也纷纷提出要做控制器以及车载实验,在这样的一个前提下,2016年的时候,我们国家的重点研发计划,新能源汽车的专项就启动了高温碳化硅器件及系统理论和测试方法研究这样一个课题,我们召集了这么多的总共14家单位,有科研院所和它对应的龙头产业企业来开展,在控制器方面,我们从来没做过碳化硅的控制器,要做到在105度下把控制器的功率密度做到36升,这就要求我们在现在的情况下200下把这个模块做到60安培,而且体系要降到硅模块的3/1。

  接下来再往下分解的时候,我们就需要最少50安培的碳化硅器件,这是整个的完整产业链,我们当然在各个环节都面临着不同的问题,比如说在芯片方面,我们就面临着碳化硅芯片电流倒通能力在高温下会显著降低的问题,而且在这个模块分装的时候,因为它的芯片高温,而且芯片面积非常小,它的热流密度是现在硅器件大概是6倍。

  一方面焊接方面受到挑战,现在纳米银高还是可以做的。

  还有一个问题我们用做绝缘的硅凝胶,它在200度下会挥发,因此在面临很多分装材料,高温性能大幅下降,以至这个模块可能就不可靠,可能会失效,当然了,对于控制器来说,高频开关的时候,还是碳化硅开关速度很快,这样会造成EMI的问题,从整车来说,对EMI的要求也很强。

  因此我们在科学问题层面分解出来三个,希望通过科学问题的来解决芯片方面的芯片结构设计,在模块方面准备采用平面分装,新型的互联结构,在电力电子方面,在解决了负面干扰之后来做拓扑和控制的研究。

  到今年为止,我们已经做成120伏、100安培的碳化硅肖特G2G管,它有效的高深度非常浅,只有12个微米。面积很小,只有0.6的环节。它在25度、100安培下,剩下的压降是1.64伏,算下来实际上我们的电流密度肯定是和国际先进水平持平,某种算法上还高一点,这是和产品比。

  在模块方面,当前主要还是在解决传统的,有些人难以分析整体的失效激励,所以说模块的优化思路不清晰是一个问题。

  第二个就是因为我们必须面对,在这一两年以内,我们的碳化硅国产芯片,单芯片的电流都比较小,所以要封存一个600安培的模块肯定大于50个芯片在一个模块里面,到底怎么样来排布,使得它的自身电感最小,这样的话就使得开关更加可靠等等,还有就是热流机松的问题在进行各种的分析,包括模块的高温失效模型、模式、大数量芯片的多功率厂优化,下面的第三个图就是我们目前做的一个双面冷却的模块,在这个模块上面的时候,首先它是双面的,第二个,它再也没有一般的模块的建和线,另外就是做高温开关的工作。

  目前做来,我们已经做得了120伏、300培的模块是建合型的,在左边的这个,大家看到比较像HP1,实际上我们就是利用HP1的这些零件来做的高纤焊片、超声波焊接。

  另外一个就是我刚才讲的,双面冷却的平面型模块,体积都比原来有大幅的减少,正是因为做模块里面很重要,你的焊接要保证在不同的温度下都要可靠,因此要尽量降低空洞力,我们在钎焊和纳米银高方面的时候,也做了工艺的探究,这样使得高纤焊料的时候,空洞力小于3%,用纳米银高的时候,及时在无压力的烧接的模式下,空洞力量也要下于2%,这个都是未来保证它的可靠性的具体工作。

  最后我们测了以后,我们自己做平面型模块和CRUA的模块来测,目前来看,从开关损耗来讲相当大,这就说明目前我们从初步来讲还是成功了。

  在控制器方面,理论的东西我就不讲了,我讲一下对大家有用的东西,我们去想如果要把一个控制器做小,要实现一个高功率密度,单单是仅仅把模块做小只是一个起步,其实我们更大的体积重量的部分在电容、散热器,电容占了相当的一个体积,25%应该不止,而且我们也是和法拉电子有过一次讨论,普通国家的国产电机驱动控制器的体积都比别人大,电容量也比别人大,其中可能也有一个原因,主要是在这边和同行分享一下,其实电容的作用有两个:

  1、它必须要为开关提供脉冲电流,通过电池是来不及的,因为它的阻抗很大,所以这个功能是无可取代。你想先做一个高融资电容之前,你要先想做一个能够提供大损失电流的电容,这才是更正确的一件事儿,那它当然也需要进行电压的Data V的频率作用,那我把频率提升上去就可以了,它的作用从这个公式看的出来,你把C的容值降低的时候,提高的频率就会是一样的作用。而容值和体积是直接挂钩的,我们做了一个符合功能的电容器的研发,首先我们研究在不同的工况下,实际上对容值的要求是不一样的。再一个我们尽量去降低它的集成电感,这对于电器特性有好处,其实对于它能够除根它的电流也有好处,更为重要的是说要对它进行温度的调节控制或者降温、散热。在这个一个情况下,这是我们最初的设计,大家看这样一个壳,这是我们的一个控制器的很大的壳,把模块装在水槽上,因为它自带频费,再往上装控制板就构成整个的控制器,我们把它叫做符合功能的电容器,因为这里面把电容和母排全都集成在里面了,而且电容也可以得到直接的散热。

  最后我们做的实验的结果是这样,许用的文波电流从180安培提升到300安培,因为有一个点测量的地方觉得很高了,就是398这一点,我们觉得这个测点可能不太对,就保守的来说也是1.67倍,直接的来说可以降低C除以1.67,这个愿意拿出来和同行分享一下,这样一来,这是电容,还包括机壳,在上面把模块装上去,做了一个非常小的,比信用卡大不了多少的主控板,在这里面优化它的算法,让它能够适应50K的控制频率,因为我们还是想把这个频率提升上去,利用碳化硅的优势,最后做了这样的一个控制器。

  目前,我们做的时候是每升37个铅,没考虑温度,因为前面有些地方也没考虑温度,现在的情况就是,还好让我们对项目任务的完成有了一个信心,这相对来说是我们整个团队比较新的东西,给大家报告一下,谢谢!


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