主持人(孙立清)：感谢温教授给大家就电机电控系统做了精彩的汇报，下面给大家提问三个问题。没有问题，再次感谢温教授。
接下来我们有请中国科学院电工研究所研究员，宁圃奇博士，给大家介绍车用高功率密度变频器及碳化硅技术。宁博士本硕都是在清华大学，2011年获得副研究员职位，2013年回国加入中科院电科所进行工作，下面欢迎宁博士给大家作报告。
宁圃奇：很高兴今天能有这个机会给大家汇报一下高功率密度变频器及碳化硅技术，首先给做一下简介，推动封装与冷却有效提高车用电车的冷却，之后如何用好碳化硅芯片，搭建高功率密度变频器。大家看一下新能源汽车发展的要求，今天上午很多人也提到了，世界各国都在努力的发展新能源的产业，我国也是预计到2020年实现500万辆的目标，而受一定的阻碍主要是价格比较昂贵，列出了同款常规动力车和新能源车的价格对比，大家看到价格一般在1.5倍到2倍左右，昂贵的价格制约了新能源车的发展。是通过提高新能源车的关键部件功率密度，来降低成本，美国能源部制定了功率密度发展目标是实现到2020年达到功率密度翻一番的目标，我们新能源车里边三大关键部件是电机、电控、电池，今天这里主要分享一下变频器它的功率密度如何进行提高。右边的图是某家公司对成本的影响，大概比例进行了分析，他们认为功率模块，包括芯片跟散热来讲，对于产品成本影响是非常大的。具体来说，我们控制器其中，功率芯片成为能量转化的主要单元，为了对器件进行控制，以及采集反馈信号的长短器，再有在系统中必不可少是能量的电容、电压还需要电板，进行能量的储存。之后还要配合一定控制策略和结构，对于整个控制器进行一定的控制。
综合来讲，我们必须分析各个部分它们相互的关系，综合起来搭建系统，而在我们刚开始所介绍的功能器件部分，其中比较重要是希望能够运用我们所说的第三代半导体，在现有芯片发展的阶段，大部分认为化硅芯片是比较合适的，具体它的优势首先是一种器件，具体做成芯片之后，体现那么几点，首先是导通电阻小，因为在我们芯片成本基本是呈正比，如果有效减小芯片的面积，能够起到降低功率模块成本的条件，之后是可以高温运行，咱们常规的是125度，175度大概是两三年前开始出现，现在用到真正的电控设备上，可能相对较少，我们芯片本身理论工作值应该达到600度左右，经过验证相对250度左右，这一点如果能提高它的温度，就能降低它的散热。再有配备高速快速的开关，我们碳化硅一般都是几十个纳秒，这样可以有效减少开关的能耗。
具体的来讲，碳化硅芯片研究开发这方面，几乎是覆盖了现有硅器件的这种准备，而在我们电动汽车领域主要是面对相对低压一点，1200伏为主的，比如双极型极管，这四种低压一点的为主。具体的生产厂家是以美国的GREE公司和日本的ROHM，再有其他的公司主要以美国、欧洲以及日本的公司为主，大家看到在日本发展，几乎每一个都有自己的预测的芯片，但是中国有可能是买不到的。相对更开放一点，可能是欧美这些公司，因为这种碳化硅芯片本身代价比较高，如果不是针对电动汽车运用来讲，1200伏开始，可能100伏做的稍微低一点。
相对来讲我国的碳化硅还处在研发阶段，目前没有大批量生产的芯片，主要是山东天岳、天科合达等一些做这种外延的，器件方向处于研发阶段的可能多一些，像电网，南车，真正做产品出来的现有是泰克天润为主。再往后封装公司相对多一点，咱们做硅器件的，电路应用主要以科研院所为主，普通院校做的可能没有那么超前。
下面介绍一下几种器件的优势，首先是二极管，它是一种单极性的器件，它的反向供电几乎没有，这个图列出了跟我们硅的二极管进行对比的结果，明显看出来，损耗相当小，因此也有很多公司在利用碳化硅，它的主要特点希望能够在频率比较高的情况下，使得损耗能够有大幅的优势，具体来讲硅的二极管，由于本身限制，因此也是不具备跟碳化硅的二极管相比较的可能性。再有就是硅器件，道理也差不多，它是单体性的器件，因此跟硅相比，它是没有拓扑电流，对比的表中可以看出，因此如果在碳化硅比较高的情况下，比如现在咱们常用的车用空气里边，以5K、10K，大家希望运用碳化硅芯片是从50K赫兹开始。
再往后如果直接套用碳化硅芯片，套用现有的一些硅器件运用的基础，可能不能充分发挥碳化硅芯片本身的特征，由于现阶段发展的限制，碳化硅芯片本身存在产品成品较贵的特质，希望在各个方面突出它的特点。首先是一些标准封装，本身特点标准化非常强，套到哪里都能用，但是里边连接，没有能够突出发挥碳化硅芯片体系较小的特点，再有就是现有驱动跟保护的设计是为传统的硅芯片设计的。再有散热，芯片非常小，碳化硅芯片放在一起，局部的热流非常大，因此需要努力开发一些新型的散热方式，如果还要应用高温特征，还是要实现高温模块化的发展，最终是希望能够做到高功率密度，高效率，真正把新型的芯片运用到我们新能源车之中，起到降低总体成本的效果。
下面就车用高密度变频器与碳化硅芯片的介绍，首先回顾一下发展的趋势，我们把它分为三代，第一代就是传统的引线键合或者单面冷却。第二代采用平面性封装或者集成冷却的方式，第三种就是集成型双面冷却，目的是使单体散热能力继续加大，可以使得芯片取得翻倍的效果，从效果来讲还是起到了节约芯片面积，降低成本的目标。
具体对于名面性封装可能是未来发展的趋势，需要做到的是三点，制造简便，可靠性高和成本低。需要关注的几个点，首先是芯片上表面镀层，首先是以铝为首的，我们希望进行焊接或者其他连接方式，希望是铜、银进行焊接的方式。再有就是导电垫片，因为常规的芯片是跟引线键合设计的，如果直接进行焊接会出现击穿局部，因此往往要在上边垫一层垫片。还有就是绝缘层，而且门极连接是非常重要的，所以这方面是要单独列出来的。第二个生产，达到一定制造的简便性，能提高整个生产效率。
首先是芯片上表面镀层，直接购买、溅射处理，再往后是电镀，再往后是钼片熔融，再往后铝铝焊接。再往后就是垫片层，热、CTE较差，采用的方式是铜或者其他一些核电的方式，减少对芯片的损害。再往后就是绝缘层，主要以喷的方式，就是一点一点的连接，再有高流动性的凝胶，因为留出来的空隙相对较小，如果粘合度比较高达不到效果。再有就是门级连接，其他是焊接，单独把这个块留出来，或者采用多次焊接的方式，或者是采用银焊膏。再有就是工装设计这一块，一方面需要最可靠一次性通行，减少生产时间并且减少成本，如果做不到就要分开工装，希望能处理芯片，这样也能起到提高生产效率的目标。
再往后介绍一些有可能应用到今后的电动汽车发展，散热方面的要求，五个方面，首先是热管传热方面，热管传热大家知道是良好的导热的方式，通过向内部，散热能力是铜的大约十倍左右，希望在今后运用这种方式替代铜直接来散热。现在电脑CPU中已经大量运用，大家可以看到网上卖的CPU的散热器，可以做到几百瓦，下一步研究目标希望运用到电动汽车热管中。再有就是半导体制导，科学家发现，热电偶两个连接在一起的金属片产生微小的电流，这个是逆效应，会使两端的金属产生一定的交叉，能够制造出来隔绝内外区域，车上的小冰箱里已经运用了，科学家希望下一步运用到我们电动汽车当中，就是60度或者65度为主，今后跟机械合在一起是120度、125度，有可能达不到很好的效果，如果能够通过冰箱原理制造一个冷区，将会有可能提高我们单位芯片的利用效率。再往后是液态金属利用，这种方式它的散热能力是我们水的70倍左右，因此采用高效率的散热也是能够提高总体的散热效果，需要注意的是它的电自动会产生一定的电流，对电动汽车有没有影响还要进一步验证。再就是塑料化的形式，传统都是铝，有一部分用铜的方式，还是比较好的塑料，并且通过塑料成形比较简易的方式，直接喷射在底部，可能功率要求不太高的情况下，希望能够替代我们现有的铝或者铜的重量较大的芯片。再往后就是基板与散热集成，只不过集成化也是我们的大趋势，也是能够减少我们传热回热的热阻，达到散热的目的。
再就是碳化硅变频器的系统设计，基本上是分析系统的要求，确定系统的参数，主要需要面对的就是模块布局、高温封装、驱动设计、保护设计，最终是退出高温跟高频的质量，降低整体的成本。系统要求要确定这么一些方面，拓扑、开关频率、无源器件设计、机械结构设计、散热系统设计，基本就是一个循环的过程，选择拓扑，针对芯片进行计算，最终系统重量，最终确定各项参数。确定参数之后，面对两个问题，一个是高温，一个是高频，首先是高温带来的挑战，常温工装是150度左右，升高到250度面临到一个高温，一个大的梯度问题，比如运用到寒冷的地方，飞机中要求负5度，也会对功率模块产生很大的影响。另外刚才说的高温模块，这里希望是采用焊接或者说双弧焊的方式，选择耐高温的焊接，高铅跟金子焊接为主，金子是硬一点，价格比较昂贵。咱们常规的的模块只能支持20次左右，比较容易降低整个系统效果，最终方式是采用边缘。再就是高频，高速开关带来的挑战，具体来讲解决的方式三种，一种是模块布局设计，一种是驱动和保护。首先是降低布局的方法，希望采用优化设计，来降低整体效果，我们这里采用了本身是一种电机的设计，用微电技术里边的方式进行。再有就是门极驱动的设计，米勒效应突出，高速开关，上下管间有干扰，易误动。区分开通、关断回路、保证高速开通同时减少干扰。再有保护，保护芯片基本上采取串线微器件的一些保护，通过微器件保护芯片来保护碳化硅芯片本身。再有就是高温系统，未来高温系统中整个功率的等级，我们说导电回路希望能够做到高温，整体都能达到200度的效果，不仅仅是功率密度本身。首先是缺乏高温的光耦，效果可能就比较差了，相对来讲，采用是磁耦合的方式，通过拓扑匹配相应的电路。再有高温系统的集成，结合变频器系统设计、集成，提升整个变速器的功率。以上就是我介绍的主要部分。
总结来讲提高功率密度是降低价格的有效手段，有效途经是采用新型封装与散热，充分运用碳化硅芯片的优势，还是希望匹配相应的驱动和外围电路，才能达到我们的效果。
主持人(孙立清)：谢谢宁博士，下面问两个问题。
提问：我想问一个问题，刚才您说，散热器集成，有国外市场上的控制器，比如说低压的，是隔了一个铝板，散热效果很好，国内好像还做不了，我想问是个怎么样的技术。
宁圃奇：铝下边还是采用压网或者螺丝的方式，还是铝本身就是散热片，芯片是独立的芯片还是模块？
提问：独立的，单个的，然后板在变频器上面。
宁圃奇：那个基本提到了散热和导电两种功能，分好几层，是PWB版，低压应用比较广泛，国内有几家在尝试生产。
提问：是个什么技术原理，是材料应用？
宁圃奇：一个材料，更多我想可能是成本，低压成本要求比咱们几十个千瓦来讲约束更强，所以在低成本的情况下，要求一定的质量，所以还是有一定难度的。
提问：有一个问题，mose芯片也是，能做个比较？
宁圃奇：就是碳化硅跟器件相比，因为硅的以低压为主，做200伏以上就很难做了，同样硅跟咱们碳价格比，碳化硅本身电阻来讲三分之一到五分之一，因此如果等功率密度不考虑成本，肯定是碳化硅更好。普通的碳化硅芯片我们所用到的，我所用到过到100K为主，市面上高的能到大几百K吧，相当高了，低压可以。
