SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)

第第22卷第3期VolVol.22，No.3總第227期22年3月ELECTRONICS&PACKAGING·特邀綜述· (1.中國科學(xué)院電工研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049)摘要：碳化硅(SiC)器件具有低導(dǎo)通壓降、可高速開關(guān)、可高溫工作等優(yōu)點，在車用電機(jī)驅(qū)動方面顯示出巨大的技術(shù)優(yōu)勢和市場潛力。論述了SiCMOSFET器件實現(xiàn)高頻、高溫性能的難點，分別綜述了模塊、測試、電容、EMI濾波器、系統(tǒng)集成等方面的技術(shù)重點和主要研究方向，介紹了提升電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。TMA1中文引用格式：寧圃奇，鄭丹，康玉慧，等.SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[J].電子與封裝，2022，22 otentialinmotordriveapplicationofelectricvehiclesThe1引言車 (ElectricVehicle，EV)成為保障國家能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑，我國制定了一系列規(guī)劃，近年來電動汽車已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，繼續(xù)提高產(chǎn)品性能并降低產(chǎn)品價格、增強(qiáng)電動汽車的競爭力是必然發(fā)展方件?，F(xiàn)有車用電機(jī)驅(qū)動使用硅基絕緣柵雙極型晶體管 驅(qū)動性能和成本的決定性因素。近年來，各國不斷探索SiIGBT芯片特性的改良方法，獲得了巨大的進(jìn)步。然而經(jīng)過三十多年的技術(shù)開發(fā)，Si器件已接近理論極限，在短時間內(nèi)大幅改進(jìn)其特性非常困難。碳化硅(SiC)器件損耗小、耐高溫并能高頻運行，第22卷第3期電第22卷第3期被公認(rèn)為將推動新能源汽車領(lǐng)域產(chǎn)生重大技術(shù)變革。世界各工業(yè)強(qiáng)國和大型跨國公司紛紛投入了大量的人力物力，特斯拉等國外車企開發(fā)的SiC電機(jī)驅(qū)動已裝車運行，顯示了巨大的技術(shù)優(yōu)勢和市場潛力，對我國新能源車產(chǎn)業(yè)開始了新一輪的沖擊[1]。在電機(jī)驅(qū)動方面，我國已自主開發(fā)了系列化產(chǎn)品，但與國際先進(jìn)車用電機(jī)驅(qū)動相比，在功率密度、可靠性及成本控制等方面仍存在一定差距。尤其從系統(tǒng)設(shè)計角度，現(xiàn)有方法多以工程人員的經(jīng)驗為主，缺乏發(fā)揮SiC器件的優(yōu)異特性。目前國內(nèi)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計受制于功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)停留在幾何布局層面。國外機(jī)構(gòu)已開展變頻器系統(tǒng)指導(dǎo)下的元件和組件定制化開發(fā)，包括多功能母排在內(nèi)的元件復(fù)用正在興起。近年來在與功率模塊關(guān)系最緊密的元件中，對于驅(qū)動電路、母線電容與母排的研究最多。但對這些元件集成設(shè)計的研究中，目標(biāo)與參數(shù)之間的關(guān)系較為模糊，約束條件多不清晰，集成過程多基于機(jī)械設(shè)計人員的經(jīng)驗，難以兼顧電磁特性和散熱細(xì)節(jié)，組件難以進(jìn)行集成匹配隨著多物理場分析工具實用化，各元件的幾何關(guān)系、機(jī)械應(yīng)力、電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力可準(zhǔn)確分析、定量計件個體設(shè)計的研究較多，聯(lián)系最緊密的功率模塊、驅(qū)動電路、母線電容和集成母排等主要部件的設(shè)計方法逐漸明晰。各團(tuán)隊為發(fā)揮SiC器件高溫、高頻工作能力和可靠性，已從系統(tǒng)應(yīng)用角度出發(fā)開展了匹配無源器件、母排等組件高密度集成的研究。本文針對SiC金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 MOSFET)在車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先從器件出發(fā)總結(jié)了SiC芯片設(shè)計和模塊封裝的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)功率密度特性出發(fā)，分別在高性能電容、高性能信號檢測、控制和驅(qū)動電路、電磁兼容等幾個方面梳理了SiC器件應(yīng)用面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和可行的解決方案，并介紹了相關(guān)的研究熱點和未來的發(fā)展方向；最后從系統(tǒng)應(yīng)用的角度總結(jié)了新一代高性能SiC車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的集成設(shè)計和優(yōu)化方法。2SiC功率模塊設(shè)計與開發(fā)封裝是功率器件必要的工藝之一，其作用是隔離外界環(huán)境以保護(hù)器件。封裝質(zhì)量不僅直接影響著功率器件本身的電氣、機(jī)械和熱性能，還會影響其成本和可靠性，在很大程度上決定了系統(tǒng)的小型化和多功能化。封裝性能的提升可以促進(jìn)車用電機(jī)驅(qū)動充分發(fā)揮SiC器件的特性。目前大多數(shù)SiC功率器件僅僅套用傳統(tǒng)Si器件的封裝形式和規(guī)格，工作結(jié)溫一般不超過175C。受布局雜散阻抗和封裝材料的限制，SiC芯片的特性無法充分發(fā)揮，設(shè)計并開發(fā)能滿足高溫、高頻需求的可靠封裝是近期的研究熱點。2.1高溫封裝材料除耐高溫外，襯底、互連層等封裝結(jié)構(gòu)需要選擇與SiC芯片熱膨脹系數(shù)(CTE)匹配的材料，它是SiC高溫封裝提高可靠性的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)焊料合金如Sn63%Pb37%、SAC305等熔點大部分低于230C，使用溫度難以超過180C。高溫常規(guī)無鉛焊料如Au80Sn20、Au88Ge12等硬度過大，難以滿足SiC模塊200C以上的可靠性要求，而高溫有鉛焊料不符合電動汽車領(lǐng)域的發(fā)展需求。納米金屬焊膏燒結(jié)技術(shù)和瞬時液相擴(kuò)散焊技術(shù)等是目前研究較多的互連材料和技術(shù)。金屬焊膏主要采用銀、金等材料，通過對微米級或納米級的金屬顆粒燒結(jié)實現(xiàn)互連。為防止微納尺寸顆粒在未燒結(jié)時發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，需要在其中添加有機(jī)成分。這些有機(jī)成分在燒結(jié)時一部分揮發(fā)，另一部分金屬。當(dāng)前大多數(shù)廣商采用微米級銀顆粒實現(xiàn)這一目CC。所形成互連層中的微孔結(jié)構(gòu)可充分吸收熱應(yīng)力，可靠性大幅提高。但燒結(jié)過程中需要施加15~30MPa壓力，極易損壞SiC芯片。部分廣商采用納米級銀粉顆粒，可實現(xiàn)無壓低溫?zé)Y(jié)過程，許用溫度超過600C，滿足SiC基芯片高溫、高可靠性的需求[2]，但需要較復(fù)雜的工藝參數(shù)優(yōu)化。瞬時液相擴(kuò)散焊技術(shù)利用將低熔點金屬(如錫等)與兩側(cè)高熔點金屬(如銅、鎳等)形成三明治結(jié)構(gòu)，高溫下低熔點金屬熔化與高熔點金屬發(fā)生固液擴(kuò)散，形成完全界面金屬間化合物的焊接互連。這種技術(shù)的互連層厚度一般小于35μm，提高了封裝的散熱性能，并能解決互連層界面混合物過多造成的高溫可靠性下降問題[3]。2.2封裝形式與結(jié)構(gòu)現(xiàn)有低功率SiC器件通常采用傳統(tǒng)分立封裝形第22卷第3期寧圃奇，鄭丹，康玉慧，等：SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)采用傳統(tǒng)引線鍵合封裝的SiC模塊占市場主流，主要包括芯片、覆銅陶瓷(DBC)襯板、金屬底板、散熱器以及在這些層間起互連作用的焊料等結(jié)構(gòu)，芯片的頂部采用引線鍵合連接到DBC圖案或信號端子上。模塊內(nèi)部還需要填充硅凝膠等封裝材料，外加塑料外殼保有大功率車用SiC模塊如表1所示。表1現(xiàn)有大功率車用SiC模塊[4]CAB425M12XM3MitsubishiFMF800DX-24ACAS325M12HM2MMN500V120XA新一代車用模塊采用平面型封裝結(jié)構(gòu)，芯片上下表面通過焊接或燒結(jié)的方式互連到銅導(dǎo)片或DBC上，可大幅降低鍵合線帶來的雜散阻抗，將寄生電感的前提，能有效改善鍵合線導(dǎo)致的高溫可靠性問題。最近可用于電動汽車的平面型封裝模塊如表2所示。表2車用的平面型封裝模塊[5]IRCOOLiR2BridgeMitsubishieontachiSCPM平面型封裝結(jié)構(gòu)、銀焊膏燒結(jié)、雙面散熱的充分結(jié)合是SiC功率模塊封裝發(fā)展的主要趨勢。2.3SiC模塊散熱方法現(xiàn)有SiC芯片損耗較Si芯片小，但芯片面積小也會導(dǎo)致熱流密度較大。以Cree公司90A時，芯片的熱流密度達(dá)到235W/cm2，遠(yuǎn)大于IGBT芯片的熱流密度。提高SiC模塊散熱性能的研究微通道換熱器的通道直徑為10~1000μm。這種換熱器的扁平管內(nèi)有數(shù)十至數(shù)百條細(xì)微流道，在扁平管的兩端與圓形集管相聯(lián)[6]。與常規(guī)換熱器相比，微通道換熱器體積小、換熱系數(shù)大、換熱效率高，對于電動汽車應(yīng)用，需要進(jìn)一步研發(fā)循環(huán)液體的過濾流程以防止微通道阻塞而降低效果。熱管散熱器由密封管、吸液芯和蒸汽通道組成。熱管運行時，蒸發(fā)段吸收功率模塊產(chǎn)生的熱量使液體沸騰氣化向冷卻段移動，在冷卻段冷凝成液體。冷凝液再依靠吸液芯的毛細(xì)作用返回蒸發(fā)段。這種冷卻方第22卷第3期電第22卷第3期式具有極高的導(dǎo)熱率(是銅的500~1000倍)，熱響應(yīng)速應(yīng)用，需要進(jìn)一步研發(fā)冷卻段的二次對流散熱，并解決功率模塊必須倒置的問題。電半導(dǎo)體制冷器件基于熱電偶的逆現(xiàn)象，當(dāng)兩塊不同金屬連接時接通電流，一端溫度降低另一端升高，若用N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體代替金屬，溫差效應(yīng)更加明顯?，F(xiàn)有半導(dǎo)體制冷器是由多對熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，可得到30~60C的溫差，增加級動汽車應(yīng)用需要從系統(tǒng)出發(fā)優(yōu)化設(shè)計。液態(tài)金屬具有遠(yuǎn)高于水或乙二醇的熱導(dǎo)率 (50~700倍)，因此液態(tài)金屬相對于傳統(tǒng)水冷來說可實現(xiàn)更加高效的散熱。液態(tài)金屬需要電磁泵來驅(qū)動，其相對于水泵效率高、能耗低、無噪音，冷卻用液態(tài)金屬大多還具有不易蒸發(fā)、不易泄漏、安全無毒等優(yōu)勢[9]。電動汽車應(yīng)用中需要進(jìn)一步增強(qiáng)電磁泵的性能，保證其高效穩(wěn)定運行。2.4封裝設(shè)計方法與同用于車用電機(jī)控制器的SiIGBT芯片相比，SiCMOSFET單芯片電流規(guī)格小、高溫下載流能力下1200V/600A的HPD模塊為電感將導(dǎo)致器件應(yīng)力增大、開關(guān)震蕩和電磁兼容問制器的性能。SiC高頻開關(guān)時，電壓變換率大于1010V/s，電流變換率大于109A/s，常規(guī)模塊布局難以支撐50kHz以上的開關(guān)頻率。因此，提升SiC模塊的布局優(yōu)化十分重要。SiC模塊布局的研究在國內(nèi)剛剛起步，浙江大學(xué)對常規(guī)硅基模塊進(jìn)行了研究，考慮了續(xù)流回路在模塊中的作用[10]，西安交通大學(xué)對硅基高頻模塊進(jìn)行了電器和散熱方面的探索[11]。國外研究起步稍早，研究方向主要包括電氣雜散參數(shù)影響[12]、新型封裝形式[13]、溫度、長期可靠性[15]以及布局編碼和優(yōu)化算法[16]。目前廣泛采用的優(yōu)化方法多為試湊法或半自動具有新型拓?fù)浜托滦头庋b形式的模塊更缺乏系統(tǒng)性的優(yōu)化方法。為解決這些問題，近期文獻(xiàn)已提出若干圖1SiC模塊自動布局流程[17]自動布局方法，首先要建立高效的模塊物理布局和數(shù)字模型間的編碼方案，使模塊布局更加接近實際封裝元素的類型和方向。引線鍵合型封裝和平面型封裝有各自不同的封裝結(jié)構(gòu)，可利用數(shù)字編碼表述各種在布局方案評估方面，文獻(xiàn)[12]采用有限元方法計算電氣性能，計算時間過長且不穩(wěn)定，優(yōu)化中需要手工修改模型。文獻(xiàn)[13]在對模塊布局的電氣參數(shù)評估過程中，利用解析公式與邊界元相結(jié)合的方法估算雜散參數(shù)，并保持了很高的準(zhǔn)確性。浙江大學(xué)陳敏教授在文獻(xiàn)[10]中提出了基于續(xù)流回路采用續(xù)流面積進(jìn)方法，大大提高了運算速度。在熱性能評估方面，傳統(tǒng)方法為有限元方法，準(zhǔn)確性較高但時間過長。文獻(xiàn)[19]利用解析公式與有限差分相結(jié)合的方法評估溫度場，適合芯片數(shù)量相對較少的模塊。文獻(xiàn)[13]采用三維熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法估算芯圖2封裝元素編碼示例[18]現(xiàn)布局空間的充分搜索，突破試湊法的設(shè)計局限。文第22卷第3期寧圃奇，鄭丹，康玉慧，等：SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)獻(xiàn)[20]嘗試采用進(jìn)化型算法，在交叉變異操作之外增加了個體在代間的進(jìn)化，可部分解決過早收斂和陷入局部性陷阱的問題。3SiC功率模塊測試方法SiC芯片高熱流密度和應(yīng)用環(huán)境對封裝材料的各種性能都會產(chǎn)生較大的影響，在高溫和大溫度梯度下，封裝材料有迅速退化的趨勢，模塊的互連層形成預(yù)缺陷、襯底殘留應(yīng)力加劇和灌封材料揮發(fā)，導(dǎo)致模塊失效。這些問題的發(fā)現(xiàn)有賴于對功率模塊的準(zhǔn)確測3.1電氣參數(shù)動靜態(tài)測試方法SiC模塊動靜態(tài)測試主要面對的問題有動態(tài)特性對寄生參數(shù)敏感、帶寬及延時對結(jié)果準(zhǔn)確性影響明I全保護(hù)問題嚴(yán)重。驅(qū)動及測試電路中PCB連接線以及器件封裝中存在寄生電感和電容，與Si器件相比，SiC器件開關(guān)速度更高，較大的電壓和電流變化率會通過回路中的雜散電感和電容感應(yīng)出瞬態(tài)的電壓和電流，使器件出現(xiàn)較大的電壓過沖和電流過沖，更嚴(yán)重的情況下會直接導(dǎo)致器件故障或損壞。開關(guān)測試時，常用的高帶寬電流監(jiān)測設(shè)備(同軸分流器等)多需要串聯(lián)在功率回路中，會造成功率回路連接線長，增加寄生電感。因此，要求盡可能地優(yōu)化驅(qū)動及測試回路，從而降低測試回路中的寄生電感和電容。SiC器件開關(guān)速度高，為準(zhǔn)確采集開關(guān)波形的上升沿、下降沿，準(zhǔn)確測量器件的開通關(guān)斷等時間參數(shù)，需要測試設(shè)備有較高的帶寬。同時，由于測試通道存在延時，電壓通道與電流通道的通道延時不同，導(dǎo)致電壓與電流波形之間存在相位延遲，SiC器件的損耗低，利用采集的電壓、電流數(shù)據(jù)計算開關(guān)能量損耗時此，針對SiC器件的動態(tài)測試有必要對電壓和電流通道的延時進(jìn)行精確校準(zhǔn)和補(bǔ)償，提高損耗計算精度。SiC器件高壓大電流回路在開通關(guān)斷過程中產(chǎn)生高次諧波電流/電壓(150kHz及以上)，通過導(dǎo)電體傳導(dǎo)和空間輻射途徑干擾驅(qū)動電路及測量電路等弱電電路，容易導(dǎo)致驅(qū)動控制失效、測量波形失真、高頻震蕩等問題，使得器件安全性降低，導(dǎo)致被測器件失效，甚至對設(shè)備自身安全造成影響。針對SiC器件的動態(tài)特性測試，仍需解決低感設(shè)身安全防護(hù)等關(guān)鍵測試技術(shù)，原有Si器件的動態(tài)測試設(shè)備在進(jìn)行SiC動態(tài)測試時仍存在較大不足，測試精度不高。3.2SiC可靠性測試方法功率芯片結(jié)溫的精準(zhǔn)提取與檢測是系統(tǒng)損耗計HSiC氏模量約為Si的3.5倍，引起芯片粘接層的塑性應(yīng)變Si芯片相比面積更小，但其厚度大約是相同電壓等級Si材料之間的熱應(yīng)力在SiC器件中高得多，導(dǎo)致在熱機(jī)械應(yīng)力作用下器件的循環(huán)壽命大大縮短[22]。材料屬性(20C)SiC熱導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)比熱容/(J·kg-1·K-1)CTE/(10-6·K-1)楊氏模量/GPa501(各向異性)器件的功率循環(huán)能力需要通過功率循環(huán)試驗來進(jìn)行考核，準(zhǔn)確的結(jié)溫測量是評估功率循環(huán)測試結(jié)果的基本和必要條件。功率循環(huán)測試期間芯片溫度通常通過熱敏感電參數(shù)來進(jìn)行間接測量。通過事先標(biāo)定熱敏感電參數(shù)與溫度的關(guān)系，即可以通過測量熱敏感電參數(shù)的方法來反算器件結(jié)溫。對于SiIGBT來說，其小電流下的導(dǎo)通電壓VCE與溫度呈非常好的線性關(guān)系，且通過小電流下的導(dǎo)通電壓VCE反算得到的結(jié)溫近似等于芯片表面的平均溫度，同理，二極管在小電流下的正向壓降VF可以用于二極管在功率循環(huán)期間的溫SiC/SiO2界面態(tài)存在著俘獲/去俘獲電子的現(xiàn)象，會導(dǎo)致閾值電壓和導(dǎo)通電壓發(fā)生漂移，使用Vth及VDSonS誤差。對于SiCMOSFET廣泛認(rèn)可的方法是利用體二極管PN結(jié)的電壓VSD作為TSEP來測量SiCMOSFET在功率循環(huán)期間的結(jié)溫，由于任何溝道電流都會改變電壓的溫度特性，因此，需要通過施加負(fù)柵極電壓(不大于-6V)的方法來完全關(guān)閉溝道，保證所有的電流均通過體二極管。研究表明，最合適的SiCMOSFET功率循環(huán)測試方法是在高正柵極電壓下，在正向MOSFET模式下通第22卷第3期電第22卷第3期入大電流產(chǎn)生功率循環(huán)測試期間的大功率損耗，使器件產(chǎn)生溫升；同時切斷正向大電流后在足夠的負(fù)柵極電壓條件下(不大于-6V)應(yīng)用反向低測量電流測量SiCMOSFET體二極管PN結(jié)的壓降來檢測功率循環(huán)過程中的結(jié)溫。最簡單的辦法是給反向體二極管通入大電流來加熱器件，然而，由于體二極管在大電流下的電壓與溫度是負(fù)相關(guān)的，體二極管的導(dǎo)通損耗會隨著溫度的升高而降低，這種作用部分補(bǔ)償并延緩了器件的退化作用，而在SiCMOSFET正向加熱模式下，損耗隨溫度增加而增加，加速了器件老化，更符合器件的實際應(yīng)用狀況。文獻(xiàn)[23]中的試驗結(jié)果顯示，對于低電壓MOSFET，使用反向體二極管加熱方法的功率循環(huán)壽命可達(dá)使用MOSFET正向加熱方法的5倍。4高性能電容需求直流電容器占到了車用電機(jī)驅(qū)動控制器總體積級到SiCMOSFET時，其體積已大幅縮小，更加凸顯了電容器對電機(jī)驅(qū)動控制器功率密度提升的阻礙[24]。同時SiC器件的開關(guān)速度快，使電容紋波電流的高頻成分增加，對電容器的高頻特性也提出了較高要求。電容器高頻工作時，絕緣介質(zhì)介電系數(shù)減小會降低電金屬化膜電容，它的性能較好，紋波電流吸收能力強(qiáng)。4.1電容損耗與高性能散熱方法對電容散熱的研究首先考慮電氣模型和熱損耗計算，尤其要面向高溫、高頻環(huán)境。文獻(xiàn)[25]介紹了電容熱計算的概念、理論依據(jù)和檢驗方法。文獻(xiàn)[26]進(jìn)行了損耗模型簡化。文獻(xiàn)[27]主要分析電容等效串聯(lián)電阻，并指出膜電容的熱傳導(dǎo)路徑和電流路徑不同。文獻(xiàn)[28]研究了電容溫度在交流頻率條件下的影響因素。當(dāng)前SiC控制器中電容器的主要問題是由于紋波導(dǎo)致電容器的體積偏大。目前關(guān)于膜電容主要集中于對電容整體及電容芯子單體進(jìn)行計算，需要進(jìn)一步根據(jù)電機(jī)驅(qū)動的性能要求進(jìn)行設(shè)計。文獻(xiàn)[29]分析了電容器設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，通過電容機(jī)理和電路拓?fù)浞治?，獲得了參數(shù)設(shè)計需求。文獻(xiàn)[24]提出在母線電容內(nèi)部采用多芯子并聯(lián)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計短路徑芯子集成母排，一方面減小寄生電感，另外一方面可將熱量快速導(dǎo)出。文獻(xiàn)[29]通過鋁制殼體和集成散熱器(見圖3)降低了電容器內(nèi)部熱點的溫度。文獻(xiàn)[29]對所提出的方案進(jìn)行了仿真和實驗，其圖3鋁制殼體和集成散熱器[30]4.2高性能電容材料目前商業(yè)化薄膜電容器中的電介質(zhì)以雙軸向聚BOPP具有極低的介質(zhì)損耗(0.02%)和較高的電氣強(qiáng)MVm是，BOPP的介電常數(shù)較低(2.25)，導(dǎo)致其能量存儲密度不高(3J/cm3)，已經(jīng)難以滿足日益增長的高溫要求[30]。聚偏二氟乙烯(PolyvinylideneFluoride，PVDF)及其共聚物是一類常見的鐵電性聚合物，具有較高的介電常數(shù)，是高儲能密度薄膜電容器中最具潛力的介電BOPP介電損耗較高，導(dǎo)致放電能量密度的提高并不顯著。聚硫脲最高該結(jié)果相比于BOPP有很大的提升，通過改善加工條件去除雜質(zhì)和殘余溶劑，可以進(jìn)一步提高電氣強(qiáng)度和能量密度。聚脲和聚氨酯聚合物膜電容的介質(zhì)損耗因數(shù)為0.758%~4.290%，但其分子結(jié)構(gòu)中的脂肪結(jié)構(gòu)含量較高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)大多低于100C，熔融溫度(Tm)和熱分解溫度(Td)在200C以上，難以確定其長期使用溫度是否能達(dá)到150C。基于BTDA-HK511的聚酰亞胺膜電容具有相對較高的介電常數(shù)和能量密度，以及可以接受的介質(zhì)損耗因數(shù)，然而其分子結(jié)構(gòu)中的長脂肪鏈和醚鍵結(jié)構(gòu)使其失去了聚酰亞胺固有的耐溫性優(yōu)勢，其Tg僅為78C，難以在高溫等苛刻環(huán)境下應(yīng)用。多層聚合物膜可有效降低極性聚合物介質(zhì)損耗，多層聚合物的電氣強(qiáng)度較單個組分有所提高，多層膜技術(shù)向PVDF等鐵電聚合物中引入了高度絕緣的線對苯二甲酸乙二醇酯等，總的電導(dǎo)與絕緣性優(yōu)良的組第22卷第3期寧圃奇，鄭丹，康玉慧，等：SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)目前，聚合物基納米復(fù)合材料的高儲能密度需要慮填料與基體兩相界面間的相互作用、填料顆粒在聚合物基體中的分散性以及聚合物基體的結(jié)晶化程度。4.3一體化母排與協(xié)同設(shè)計一體化母排在車用電機(jī)驅(qū)動中起到了連接直流電容單體和SiC功率模塊的作用?，F(xiàn)有研究多利用電磁場仿真分析優(yōu)化電流路徑，從而達(dá)到降低逆變器回打下基礎(chǔ)。SiC模塊功率端子位置將影響母排設(shè)計，也是提高主回路性能和平衡并聯(lián)芯片的基礎(chǔ)。現(xiàn)有SiC產(chǎn)品模塊多采用標(biāo)準(zhǔn)Si模塊封裝，功率端子位置基于產(chǎn)品系列，較少與母排和電容進(jìn)行協(xié)同設(shè)計?，F(xiàn)有研究主要有采用有限元方法針對已有SiC產(chǎn)品模塊進(jìn)行疊層母排的互連設(shè)計，分析多層疊層母排雜散電感高頻段衰減特點，或分析多相并聯(lián)模塊間的雜散阻抗差別等。很少有研究基于母排互連和約束特點逆向指導(dǎo)模塊設(shè)計，文獻(xiàn)[31]根據(jù)母排需要提出了選擇模塊的要點，但未能指導(dǎo)模塊布局并確定功率端子位置。文獻(xiàn)[32]給出了端子位置排布與母排互連的設(shè)計要點，進(jìn)行了場路耦合仿真，未能實現(xiàn)自動協(xié)同設(shè)計。下一步研究熱點是給出明確的排布設(shè)計方法。5高性能信號檢測測對系統(tǒng)性能也有較大影響。電動汽車運行時功率器件不可避免會發(fā)生各種諸如短路、開路等突發(fā)性故障，如果能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取一定的保護(hù)措施，并不和結(jié)溫檢測對SiC器件的穩(wěn)定運行尤為重要。5.1電壓信號檢測電機(jī)控制器中直流母線電壓決定功率模塊的開關(guān)應(yīng)力，并與母線電容的使用壽命相關(guān)，空間矢量調(diào)制過程也與直流母線電壓相關(guān)。直流母線電壓的檢測將直接影響功率模塊的過壓保護(hù)和開關(guān)信號的矢量調(diào)制過程。直流母線電壓信號檢測方案主要有電阻分電阻分壓法采用電阻網(wǎng)絡(luò)將直流母線電壓進(jìn)行分壓，并縮放到合適的范圍。縮放后的電壓輸入給運算放大器組成的反饋電路，最終通過運算放大器的調(diào)理和濾波后輸入給DSP。電阻分壓法電路原理簡單、響應(yīng)速度快，但高壓電路和低壓電路之間存在耦合，需要外加電路對DSP的輸入進(jìn)行保護(hù)。線性光耦法通過線性光耦實現(xiàn)高、低壓電路之間的隔離。將直流電壓經(jīng)過分壓后接入運算放大器，通過運算放大電路進(jìn)行電壓偏移后，得到一個低幅值單極性電壓信號。這個單極性電壓信號作為線性光耦的C電路。線性光耦法對低壓電路具有隔離保護(hù)作用，且電壓霍爾法基于霍爾電流傳感器，將霍爾傳感器與高阻值電阻串聯(lián)，并將整體并聯(lián)在直流母線電路兩端，霍爾傳感器輸出電流信號與母線電壓線性相關(guān)，這個電流信號經(jīng)過合適的電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號后引入DSP。電壓霍爾法對高壓電路和低壓電路具有隔離SiC器件導(dǎo)通壓降檢測是近年來的研究熱點，它是檢測短路狀態(tài)、芯片結(jié)溫和可靠性的重要前提。正常運行中，SiC器件導(dǎo)通電壓一般只有幾伏，而關(guān)斷時需要承受上千伏的耐壓，同時被測器件和其他器件開關(guān)過程中的電壓電流變化率高達(dá)109量級，噪聲問題當(dāng)被測器件(DeviceUnderTest，DUT)處于導(dǎo)通狀態(tài)時，測量電路處于短路狀態(tài)，理想情況下，導(dǎo)通壓降值可以約等于負(fù)載電阻R1兩端的壓降；當(dāng)DUT處于阻斷狀態(tài)時，測量電路可以阻斷直流電壓，從而在保護(hù)測量電路的同時提高測量精度。第一種電路對時序要求較高，第二種電路通過電壓鉗位二極管D1來阻斷直流電壓，但是二極管的壓降會隨著二極管溫度和導(dǎo)通電流值的變化而變化，從而引入誤差。圖5所示為改進(jìn)的監(jiān)測電路。測量電路與驅(qū)動電路共用供電電源，D1用于阻斷直流母線電壓，設(shè)置D2用以補(bǔ)償阻斷二極管D1引起的測量誤差。信號MOSFET用于在被測器件斷開狀態(tài)期間為電流源續(xù)流。信號通過低通濾波、幅度調(diào)理和隔離運放后傳送到處理器的AD轉(zhuǎn)5.2電流信號檢測電流檢測的主要方法有同軸分流器法(Shunt)、霍爾傳感器法、芯片集成電流傳感器法、磁阻傳感器法、IGBTPCB感器需要平衡帶寬、體積、侵?jǐn)_性和成本等方面，才能滿足SiC器件對系統(tǒng)的要求。同軸分流器法測量精度高，但電阻的寄生參數(shù)會惡化SiCMOSFET的開關(guān)特性，且信號隔離較為困難?；魻栯娏鱾鞲衅麟m然在功率變換器中應(yīng)用最為廣第22卷第3期電第22卷第3期泛，但帶寬通常低于300kHz，對于突然變化的電流測量較為困難，而且霍爾元件的溫漂問題會引入測量誤差。文獻(xiàn)[34]采用改進(jìn)的磁阻傳感器測量器件開關(guān)電流，盡管帶寬達(dá)到5MHz，但仍然難以滿足“高帶寬”的要求。IGBT退飽和方法需要一定的消隱時間來避免誤檢，特別是負(fù)載短路故障下的消隱時間高達(dá)數(shù)微秒，嚴(yán)重影響短路保護(hù)的快速性。PCB板羅氏線圈法是最近比較熱門的研究，具有體積小、帶寬高和對系統(tǒng)侵入性低，以及線性度高、重羅氏線圈建模困難、設(shè)計困難的問題，也存在積分器與線圈的耦合振蕩問題，對于低頻信號有較大誤差，也會增大驅(qū)動板面積，另外受器件開關(guān)影響較大，需要進(jìn)一步改進(jìn)。圖4兩種常用導(dǎo)通壓降監(jiān)測電路[33]圖5SiCMOSFET導(dǎo)通飽和壓降監(jiān)測電路[33]5.3結(jié)溫在線監(jiān)測現(xiàn)有國產(chǎn)車功率模塊的溫度監(jiān)測結(jié)果與芯片的實際工作結(jié)溫有較大差距，保護(hù)閾值設(shè)定較為困難。為了保證車用電機(jī)驅(qū)動的可靠運行，現(xiàn)有的設(shè)計方法大多采用大裕量、多重冗余的經(jīng)驗化設(shè)計準(zhǔn)則，不可率芯片結(jié)溫，就能夠降低現(xiàn)有設(shè)計方法浪費的視在容量，降低成本，增加車用電機(jī)系統(tǒng)在復(fù)雜運行工況下安全運行的能力。功率芯片封裝在模塊內(nèi)部，不易直接接觸，難以法主要可歸納為4類：物理接觸法、光學(xué)非接觸法、熱阻抗模型預(yù)測法與熱敏感電參數(shù)提取法。物理接觸法主要在功率模塊內(nèi)集成熱敏電阻或熱電偶等測溫元件，得到的信息是模塊內(nèi)部基板某處的局部溫度，遠(yuǎn)非功率芯片結(jié)溫，其誤差較大(可達(dá)73%)，且響應(yīng)速度一般在秒級，無法實時反映待測器件的結(jié)溫動態(tài)變化[35]。光學(xué)非接觸法主要使用紅外熱成像儀、光纖、紅外顯微鏡、輻射線測定儀等。在測量前需要破壞模塊封裝，除去硅膠表面涂黑以增加輻射系數(shù)，來提高準(zhǔn)確度。另外，現(xiàn)有商用紅外熱成像儀的最高采樣率僅為會發(fā)出可見光，浙江大學(xué)學(xué)者提出采用光敏探頭監(jiān)測裝內(nèi)部隔光板的設(shè)計、多路探頭的排布與外連、平面型模塊的狹小空間等都限制了其應(yīng)用[36]。熱阻抗模型預(yù)測法則結(jié)合了待測器件、電路拓?fù)浜蜕嵯到y(tǒng)等綜合因素，估算損耗反推芯片結(jié)溫及其變化趨勢[37]，該方法被廣泛應(yīng)用于設(shè)計時的散熱系統(tǒng)評估。然而，實時損耗模型和熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的精確建模相當(dāng)困難，預(yù)設(shè)熱阻網(wǎng)絡(luò)模型會由于老化原因發(fā)熱敏感電參數(shù)法把待測器件自身作為溫度傳感部件，建立溫度與外部電氣變量的映射模型。這種方法響應(yīng)快、成本低、可用于在線檢測，成為最具應(yīng)用潛力的技術(shù)。熱敏感電參數(shù)法基本可分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩類。靜態(tài)熱敏感參數(shù)法是指器件處于完全導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)下的參數(shù)，例如小電流導(dǎo)通壓降法[38]、大電流導(dǎo)通第22卷第3期寧圃奇，鄭丹，康玉慧，等：SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)壓降法[39]、驅(qū)動電壓降差比法[40]、集電極起始電壓法[40]和短路電流法[41]等。與之相對的是動態(tài)參數(shù)法，如集電極信號/功率端子差值法[42]，閾值電壓法[43]、內(nèi)置驅(qū)動溫敏電阻法[44]等。以上電氣熱敏感參數(shù)法都有各自的優(yōu)勢和缺點，可以從靈敏度、精準(zhǔn)度、對控制策略的影響、硬件侵入性等角度進(jìn)行評估。 (1)靈敏度和精確度：在采樣電路中，測量參數(shù)變化率大且測量分辨率越大的方法可以獲得更高的靈敏度和監(jiān)測精度。電極信號/功率端子差值法等需要通過時間估算結(jié)溫，對于快速開關(guān)的工況靈敏度很低 (小于1ns/C)。小電流導(dǎo)通壓降、門極閾值電壓等方法的測量參數(shù)變化律在2mV/C左右，而大電流壓降可以達(dá)到10mV/C。 (2)控制策略影響：以短路電流作測試參數(shù)需要額外設(shè)計短路測試環(huán)節(jié)，閾值電壓法需要添加開關(guān)瞬間的測量脈沖。 (3)硬件侵入性：小電流導(dǎo)通壓降法需要額外注入小電流，驅(qū)動電壓降差比法需要在正常控制之外改變驅(qū)動電壓，內(nèi)置驅(qū)動溫敏電阻法需要在驅(qū)動電路中增加高頻交流電源，這些附加電路可能會造成電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不穩(wěn)定。6系統(tǒng)集成設(shè)計6.1系統(tǒng)集成設(shè)計方法系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)階段，通過仿真計算給出電機(jī)驅(qū)動功率、效率等量化指標(biāo)，可指導(dǎo)系統(tǒng)性能均衡設(shè)計，在提高裝置功率密度的同時增加系統(tǒng)整體的安全裕量。目前國內(nèi)電機(jī)驅(qū)動設(shè)計受制于功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)停留在幾何布局層面。國外機(jī)構(gòu)已開展變頻器系統(tǒng)指導(dǎo)下的元件和組件定制化開發(fā)，包括多功能母排在內(nèi)的元件復(fù)用正在興起。近年來在與功率模塊關(guān)系最緊密的元件中，對于驅(qū)動電路、母線電容與母排的研究最多。但對這些元件集成設(shè)計的研究中，目標(biāo)與參數(shù)之間的關(guān)系較為模糊[45]，約束條件多不清晰，集成過程多基于機(jī)械設(shè)計人員的經(jīng)驗，難以兼顧電磁特性和散熱細(xì)節(jié)，組件難以進(jìn)行集成匹配SiC揮。在車用電機(jī)驅(qū)動控制器系統(tǒng)熱設(shè)計方法中，有學(xué)者結(jié)合電路計算及溫度場仿真，獲得損耗以及其在空間的分布。有學(xué)者研究兩相流等高效散熱技術(shù)，優(yōu)化熱傳導(dǎo)、熱對流路徑，降低控制器內(nèi)各熱源與熱沉之間的等效熱阻，從而降低熱源溫度。也有學(xué)者研究隔熱技術(shù)在車用電機(jī)驅(qū)動控制器中的應(yīng)用，降低熱敏感部件與熱源間的熱耦合，實現(xiàn)控制器內(nèi)各部件高溫工作性能互相匹配。6.2系統(tǒng)集成優(yōu)化方法隨著電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，以元件個體最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€元件最優(yōu)的組合設(shè)計。隨著多物理場分析工具的實用化，各元件的幾何關(guān)系、機(jī)械應(yīng)力、電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力可以并行分析、定量對元件個體設(shè)計的研究較多，而元件間的協(xié)同和互擾機(jī)理難以厘清，尤其是聯(lián)系最緊密的功率模塊、驅(qū)動電路、母線電容和疊層母排這4個主要部件的協(xié)同設(shè)計方法不明晰，系統(tǒng)集成冗余空間過大。盡管文獻(xiàn)報道了各種疊層母排降低雜散阻抗、提高傳導(dǎo)換熱的設(shè)計[46]，但缺乏具體的多元件集成方法。文獻(xiàn)[47]通過有限元法和電路簡化法，提出了電機(jī)驅(qū)動中的元件集成準(zhǔn)則，文獻(xiàn)[48]提出了散熱和機(jī)械結(jié)平面型SiC模塊需要上、下兩面散熱，對于疊層母排和驅(qū)動板的排布有更強(qiáng)的約束[44]，功率端子和信號端子位置的確定和相關(guān)設(shè)計亟需協(xié)同。集成設(shè)計需要考慮多個元件旋轉(zhuǎn)、拼接、匹配等排布問題，難以直接套用已有的模塊優(yōu)化算法[48]。在設(shè)計過程中需要采用三維映射模型，與模塊優(yōu)化使用的二維模型相比，計算量成幾何級數(shù)上升，因此需要更加成熟的優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[49]對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了自動集成優(yōu)化的研究，建立了物理布局映射模型，但是對元件數(shù)量有限制，也未能考慮元器件互連細(xì)節(jié)。對于疊層母排和相關(guān)元件的集成，需要進(jìn)一步考慮元件間的互連和約束，改進(jìn)優(yōu)化算法提高效率，解決不收斂、局部最優(yōu)陷阱等問題。7結(jié)論由于SiC材料特性與Si差異較大，在器件開發(fā)和系統(tǒng)應(yīng)用方面需要特別的設(shè)計和優(yōu)化方法。本文以車電容匹配、EMI、系統(tǒng)集成等方面分別論述了當(dāng)前現(xiàn)狀和研究熱點，對多種關(guān)鍵參數(shù)和約束條件進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹，對SiC器件在車用電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中充分發(fā)揮高頻、高溫特性具有一定的指導(dǎo)意義?？嘉墨I(xiàn)：[1]王東萃，崔宇航，于雷.SiCMOSFET在電動汽車領(lǐng)域的第22卷第3期電子與封裝應(yīng)用[J].上海汽車,2021(8):36-39.[2]KHAZALAR,THOLLINB,MENDIZABALL,etal.ty[3]FAIZMK,YAMAMOTOT,YOSHIDAM.Lowtempe-transientliquidphasesinteringforhightemperatureappli-cation[C]//2017IEEECPMTSymposiumJapan(ICSJ),[4]KANGY,NINGP,YUANT.DesignanddevelopmentofhighvoltageandhighcurrentSiCMOSFETmodules[C]//[5]NINGP,LIL,WENX,etal.TopdiesurfacereprocessingAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition[6]BYUNHW,KIMNH.Two-phaserefrigerantdistributioninatworow/fourpassparallelflowminichannelheattionalJournalofExperimentalHeatTransferThermo[7]施玉潔.高速動車牽引變流器用板翅式熱管散熱器傳熱性能研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2014.[8]云振新.半導(dǎo)體致冷器件及其應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù),1990[9]DENGZS,LIUJ.CapacityevaluationofaMEMSbasedInternationalConferenceonNano/microEngineered&[10]ZHUN,CHENM,XUDH.Asimplemethodtoevaluate[11]CHENQ,YANGX,WANGZ,etal.AnalysisandPowerElectro[12]VANWYKJD,LEEFC,LIANGZ,etal.Integratingactive,passiveandEMI-filterfunctionsinpowers[13]NINGP,WANGF,NGOK.Automaticlayoutdesignforpowermodule[J].IEEETransactionsonPowerElectr-[14]PANGYF.Integratedthermaldesignandoptimizationstudyforactiveintegratedpowerelectronicmodules[15]CARAD,CATALIOTTIA,MARSALAG,etal.Measu-rementsmethodologyforthereliabilityevaluationofintelligentpowermodulesC//Instrumentation&Measu-E[16]SHOOKBW,NIZAMA,GONGZ,etal.Multi-objectivelayoutoptimizationformulti-chippowermodules[C]//Control&ModelingforPowerElectronics:IEEE,[17]郝柏森.多芯片SiC模塊自動化低感布局設(shè)計研究[D].天津:天津大學(xué),2018.[18]NINGP,WENX,MEIY,etal.Afastuniversalpower[19]IWATAY,HAYASHIS,SATOHR,etal.AnefficientdeionsonComponentsPackaging[20]郝柏森，梅云輝，李欣，等.一種基于多階段遺傳算法的功率模塊自動化布局方法[J].天津大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)術(shù)版,2019,52(6):47-53.[21]KAMINSKIN,RUGENS,HOFFMANNF.Gainingsium[22]HUB,GONZALEZJO,RANL,etal.FailureandssmethodsforSiCMOSFETs[C]//201729thInternationalCs[24]HEROLDC,FRANKEJ,BHOJANIR,etal.Require-wercyclingforpreciselifetimeestimationJ[25]WENH,XIAOW,WENX,etal.AnalysisandevaluationofDC-linkcapacitorsforhigh-power-densityelectric[26]陳溫良.金屬化電力電容器的熱計算問題[J].電力電容[27]華征，王召盟，徐夢蕾，等.高壓全膜電容器三維溫度場數(shù)值計算分析[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2017,38第22卷第3期寧圃奇，鄭丹，康玉慧，等：SiC車用電機(jī)驅(qū)動研究發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[28]尹婷，嚴(yán)飛，李浩原，等.金屬化安全膜電容器ESR計算[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2015,36(3):41-44.[29]LUX,PENGFZ.MinimizingDCcapacitorcurrentrippleandDCcapacitancerequirementoftheHEVconverter/[30]李曄，范濤，李琦，等.車用S