寧圃奇，鄭 丹，康玉慧，陳永勝，崔 健，張 棟，李 曄，范 濤

（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）

1 引言

隨著環(huán)境保護(hù)和能源需求的增大，電動汽車（Electric Vehicle，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(shí)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(jià)格、增強(qiáng)電動汽車的競爭力是必然發(fā)展方向。電池、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動是新能源汽車的三大核心部件?，F(xiàn)有車用電機(jī)驅(qū)動使用硅基絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）器件，是電機(jī)驅(qū)動性能和成本的決定性因素。近年來，各國不斷探索Si IGBT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(shí)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(yùn)行，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(yùn)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(jì)角度，現(xiàn)有方法多以工程人員的經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏理論支撐，難以充分發(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(jì)受制于功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，系統(tǒng)集成多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(jì)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，難以兼顧電磁特性和散熱細(xì)節(jié)，組件難以進(jìn)行集成匹配設(shè)計(jì)，限制了SiC器件的性能。

隨著多物理場分析工具實(shí)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(jì)算。目前針對元件個(gè)體設(shè)計(jì)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(jì)方法逐漸明晰。各團(tuán)隊(duì)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（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，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(jì)和模塊封裝的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢，歸納了SiC功率模塊在測試方法、測試標(biāo)準(zhǔn)中存在的新問題；然后從SiC MOSFET的高溫、高頻、高功率密度特性出發(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(gè)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(diǎn)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(jì)和優(yōu)化方法。

2 SiC功率模塊設(shè)計(jì)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175℃。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(jì)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(diǎn)。

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(diǎn)大部分低于230℃，使用溫度難以超過180℃。高溫常規(guī)無鉛焊料如Au80Sn20、Au88Ge12等硬度過大，難以滿足SiC模塊200℃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(shí)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(shí)現(xiàn)互連。為防止微納尺寸顆粒在未燒結(jié)時(shí)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(shí)一部分揮發(fā)，另一部分與氧氣反應(yīng)，互連層幾乎是純金屬。

當(dāng)前大多數(shù)廣商采用微米級銀顆粒實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可在250℃左右實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，使用溫度可超過500℃。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15～30 MPa壓力，極易損壞SiC芯片。部分廣商采用納米級銀粉顆粒，可實(shí)現(xiàn)無壓低溫?zé)Y(jié)過程，許用溫度超過600℃，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(shí)液相擴(kuò)散焊技術(shù)利用將低熔點(diǎn)金屬（如錫等）與兩側(cè)高熔點(diǎn)金屬（如銅、鎳等）形成三明治結(jié)構(gòu)，高溫下低熔點(diǎn)金屬熔化與高熔點(diǎn)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)分立封裝形式，而高功率、大電流器件通常采用模塊形式。目前，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，外加塑料外殼保護(hù)，共同提供電氣絕緣、防濕、防振、防污染等功能。現(xiàn)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]

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，將寄生電感控制在10 nH以內(nèi)。另一方面，平面型封裝是雙面散熱的前提，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]

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。

2.3 SiC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CPM3-1200-0013C芯片為例，芯片電流可以到90 A，有效面積為0.183 cm2，在開關(guān)頻率為20 kHz、電流為90 A時(shí)，芯片的熱流密度達(dá)到235 W/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集中在微通道、熱管、半導(dǎo)體制冷、液態(tài)金屬散熱等方面。

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(yùn)行時(shí)，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。這種冷卻方式具有極高的導(dǎo)熱率(是銅的500～1000倍)，熱響應(yīng)速度快、體積小、重量輕，不需外加電源[7]。對于電動汽車應(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(shí)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30～60℃的溫差，增加級數(shù)可進(jìn)一步增加溫差。該方法無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕[8]，但其耗電量相對較大，對于電動汽車應(yīng)用需要從系統(tǒng)出發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(shí)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(yùn)行。

2.4 封裝設(shè)計(jì)方法

與同用于車用電機(jī)控制器的Si IGBT芯片相比，SiC MOSFET單芯片電流規(guī)格小、高溫下載流能力下降的問題十分突出。以1200 V/600 A的HPD模塊為例，三相共需要36個(gè)芯片，模塊復(fù)雜度大幅增加，雜散電感將導(dǎo)致器件應(yīng)力增大、開關(guān)震蕩和電磁兼容問題，進(jìn)而影響電機(jī)控制器的性能。SiC高頻開關(guān)時(shí)，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50 kHz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]、溫度分布[14]、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設(shè)計(jì)法，能對比的布局方案數(shù)量有限，效率較低，對于具有新型拓?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)已提出若干種模塊自動布局方法，流程如圖1所示。

圖1 SiC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(shí)際情況。數(shù)字編碼包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，一是芯片的位置，二是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)字編碼表述各種封裝元素，圖2給出了編碼示例。

圖2 封裝元素編碼示例[18]

在布局方案評估方面，文獻(xiàn)[12]采用有限元方法計(jì)算電氣性能，計(jì)算時(shí)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)行評估的方法，大大提高了運(yùn)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(shí)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)的方法估算芯片的結(jié)溫，但準(zhǔn)確性相對較低。

在優(yōu)化算法方面，部分學(xué)者采用遺傳算法[13]，可實(shí)現(xiàn)布局空間的充分搜索，突破試湊法的設(shè)計(jì)局限。文獻(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(gè)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。

3 SiC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)確測試，它也是系統(tǒng)損耗計(jì)算、壽命預(yù)測、健康管理的基礎(chǔ)。

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(shí)對結(jié)果準(zhǔn)確性影響明顯、電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）及安全保護(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(shí)，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(shí)間參數(shù)，需要測試設(shè)備有較高的帶寬。同時(shí)，由于測試通道存在延時(shí)，電壓通道與電流通道的通道延時(shí)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(jì)算開關(guān)能量損耗時(shí)會產(chǎn)生較大誤差。因此，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(shí)進(jìn)行精確校準(zhǔn)和補(bǔ)償，提高損耗計(jì)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（150 kHz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)計(jì)、探頭補(bǔ)償、通道校準(zhǔn)、電磁干擾噪聲抑制、設(shè)備及人身安全防護(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(shí)仍存在較大不足，測試精度不高。

3.2 SiC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(jì)算、壽命預(yù)測、健康管理的基礎(chǔ)。Si和4H-SiC的材料屬性如表3所示，與Si材料相比，SiC的CTE更高，楊氏模量約為Si的3.5倍，引起芯片粘接層的塑性應(yīng)變增加至少40%。同時(shí)，雖然相同額定值的SiC芯片與Si芯片相比面積更小，但其厚度大約是相同電壓等級Si芯片的3倍[21]。因此，溫度波動引起的封裝材料之間的熱應(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]。

表3 Si和4H-SiC的材料屬性[22]

器件的功率循環(huán)能力需要通過功率循環(huán)試驗(yàn)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Si IGBT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)期間的溫度檢測。然而，對于SiC-MOS器件來說，柵氧層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VDSon溫度敏感電參數(shù)（Temperature Sensitive Electrical Parameter，TSEP）測量SiC-MOS器件的結(jié)溫存在較大誤差。對于SiC MOSFET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SiC MOSFET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-6 V）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SiC MOSFET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(shí)切斷正向大電流后在足夠的負(fù)柵極電壓條件下（不大于-6 V）應(yīng)用反向低測量電流測量SiC MOSFET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SiC MOSFET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(shí)際應(yīng)用狀況。文獻(xiàn)[23]中的試驗(yàn)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)動控制器總體積的約35%、總質(zhì)量的約25%。當(dāng)功率模塊從Si IGBT升級到SiC MOSFET時(shí)，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(shí)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(shí)，絕緣介質(zhì)介電系數(shù)減小會降低電容量，并使損耗增大。目前，車用電機(jī)驅(qū)動器主要使用金屬化膜電容，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(jì)算，尤其要面向高溫、高頻環(huán)境。文獻(xiàn)[25]介紹了電容熱計(jì)算的概念、理論依據(jù)和檢驗(yàn)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電流吸收能力不足，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(jì)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(jì)。文獻(xiàn)[29]分析了電容器設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)的溫度。文獻(xiàn)[29]對所提出的方案進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，其電容器熱阻下降了72.4%，紋波電流提升了2.2倍。

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)以雙軸向聚丙烯（Biaxially-Oriented Polypropylene，BOPP）為主，BOPP具有極低的介質(zhì)損耗（0.02%）和較高的電氣強(qiáng)度（720 MV/m）。但是，BOPP的介電常數(shù)較低（2.25），導(dǎo)致其能量存儲密度不高（3 J/cm3），已經(jīng)難以滿足日益增長的高溫要求[30]。

聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，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材料之一。但其擊穿場強(qiáng)較BOPP低，且介電損耗較高，導(dǎo)致放電能量密度的提高并不顯著。聚硫脲最高電氣強(qiáng)度可達(dá)685 MV/m，相應(yīng)的能量密度為9.3 J/cm3。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100℃，熔融溫度（Tm）和熱分解溫度（Td）在200℃以上，難以確定其長期使用溫度是否能達(dá)到150℃?；贐TDA-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78℃，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(gè)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性介電聚合物如聚碳酸酯、聚砜（Polysulfone，PSF）、聚對苯二甲酸乙二醇酯等，總的電導(dǎo)與絕緣性優(yōu)良的組分相近，如PSF/PVDF 30/70（體積比）32層膜在100 MV/m條件下的電導(dǎo)為6×10-13S/m，與PSF的電導(dǎo)（1.5×10-13S/m）接近，遠(yuǎn)低于PVDF（10-11S/m）。

目前，聚合物基納米復(fù)合材料的高儲能密度需要多方面努力。比如，合理選擇填料及聚合物基體，并考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(jì)

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。現(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)到降低逆變器回路雜散電感、電阻的目的，為SiC變頻器高頻穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)。SiC模塊功率端子位置將影響母排設(shè)計(jì)，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(jì)?，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(jì)，分析多層疊層母排雜散電感高頻段衰減特點(diǎn)，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(diǎn)逆向指導(dǎo)模塊設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[31]根據(jù)母排需要提出了選擇模塊的要點(diǎn)，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(jì)要點(diǎn)，進(jìn)行了場路耦合仿真，未能實(shí)現(xiàn)自動協(xié)同設(shè)計(jì)。下一步研究熱點(diǎn)是給出明確的排布設(shè)計(jì)方法。

5 高性能信號檢測

車用電機(jī)驅(qū)動在應(yīng)用SiC器件時(shí)，電壓、電流的檢測對系統(tǒng)性能也有較大影響。電動汽車運(yùn)行時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)并采取一定的保護(hù)措施，并不會造成器件失效，電壓、電流和結(jié)溫檢測對SiC器件的穩(wěn)定運(yùn)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壓法、線性光耦法、電壓霍爾法。

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?？s放后的電壓輸入給運(yùn)算放大器組成的反饋電路，最終通過運(yùn)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(shí)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(yùn)算放大器，通過運(yùn)算放大電路進(jìn)行電壓偏移后，得到一個(gè)低幅值單極性電壓信號。這個(gè)單極性電壓信號作為線性光耦的輸入，線性光耦的輸出通過濾波、調(diào)理后，輸入給ADC電路。線性光耦法對低壓電路具有隔離保護(hù)作用，且響應(yīng)速度快、測量精度高、價(jià)格適中。

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(gè)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作用，但響應(yīng)慢、測量精度低、價(jià)格高，一般較少采用。

SiC器件導(dǎo)通壓降檢測是近年來的研究熱點(diǎn)，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(yùn)行中，SiC器件導(dǎo)通電壓一般只有幾伏，而關(guān)斷時(shí)需要承受上千伏的耐壓，同時(shí)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，噪聲問題非常嚴(yán)重。常用的兩種導(dǎo)通壓降監(jiān)測電路如圖4所示[33]，當(dāng)被測器件（Device Under Test，DUT）處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，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(shí)，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(shí)提高測量精度。第一種電路對時(shí)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(yùn)放后傳送到處理器的AD轉(zhuǎn)換端口，有效解決了同步、干擾和隔離的問題。

圖4 兩種常用導(dǎo)通壓降監(jiān)測電路[33]

圖5 SiC MOSFET導(dǎo)通飽和壓降監(jiān)測電路[33]

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、IGBT退飽和方法、PCB板羅氏線圈法等。電流傳感器需要平衡帶寬、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SiC MOSFET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)用最為廣泛，但帶寬通常低于300 kHz，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5 MHz，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(shí)間來避免誤檢，特別是負(fù)載短路故障下的消隱時(shí)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、重量輕、無磁飽和等優(yōu)點(diǎn)[35]。但在實(shí)際應(yīng)用中，存在PCB羅氏線圈建模困難、設(shè)計(jì)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)。

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(shí)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(yùn)行，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法大多采用大裕量、多重冗余的經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不可避免地存在“大馬拉小車”現(xiàn)象。如果能夠精準(zhǔn)提取功率芯片結(jié)溫，就能夠降低現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法浪費(fèi)的視在容量，降低成本，增加車用電機(jī)系統(tǒng)在復(fù)雜運(yùn)行工況下安全運(yùn)行的能力。

功率芯片封裝在模塊內(nèi)部，不易直接接觸，難以直接觀測，芯片結(jié)溫測量頗具挑戰(zhàn)。目前，結(jié)溫檢測方法主要可歸納為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(shí)時(shí)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2000幀，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測要求。SiC器件在運(yùn)行時(shí)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)測結(jié)溫。然而電機(jī)驅(qū)動用SiC模塊內(nèi)部并聯(lián)芯片較多，封裝內(nèi)部隔光板的設(shè)計(jì)、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(jì)時(shí)的散熱系統(tǒng)評估。然而，實(shí)時(shí)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)生較大偏移，都限制了其應(yīng)用。

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(diǎn)，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(shí)間估算結(jié)溫，對于快速開關(guān)的工況靈敏度很低（小于1 ns/℃）。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2 mV/℃左右，而大電流壓降可以達(dá)到10 mV/℃。

（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(jì)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?？刂浦飧淖凃?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(jì)

6.1 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)階段，通過仿真計(jì)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(jì)，在提高裝置功率密度的同時(shí)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(jì)受制于功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，系統(tǒng)集成多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(jì)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(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，難以兼顧電磁特性和散熱細(xì)節(jié)，組件難以進(jìn)行集成匹配設(shè)計(jì)，限制了SiC器件優(yōu)越性能的充分發(fā)揮。

在車用電機(jī)驅(qū)動控制器系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法中，有學(xué)者結(jié)合電路計(jì)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(shí)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(gè)體最優(yōu)為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)元件最優(yōu)的組合設(shè)計(jì)。隨著多物理場分析工具的實(shí)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、定量計(jì)算。目前針對元件個(gè)體設(shè)計(jì)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(gè)主要部件的協(xié)同設(shè)計(jì)方法不明晰，系統(tǒng)集成冗余空間過大。

盡管文獻(xiàn)報(bào)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(jì)[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)構(gòu)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見。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(jì)亟需協(xié)同。集成設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)和優(yōu)化方法。本文以車用電機(jī)驅(qū)動為主要應(yīng)用，從芯片設(shè)計(jì)、封裝、驅(qū)動、母線電容匹配、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(diǎn)，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。