WNEVC 2022 | 美國工程院院士Thomas M. JAHNS：電力電子能承受集成電機驅動器的熱挑戰嗎？

由中國科學技術協會、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局聯合主辦的第四屆世界新能源汽車大會(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南線上線下舉辦。其中，北京會場位于北京經濟技術開發區藝創國際會展中心。

會議由中國汽車工程學會等單位主辦，將以“碳中和愿景下的全電動化與全球合作”為主題，邀請全球政產學研各界代表共同探討。大會將包括20多場會議，13，000平方米的技術展覽和許多同期活動。200多位政府高級領導人、海外機構官員、全球商界領袖、學者和行業專家將出席會議并發表演講。

其中，美國工程院院士、威斯康星大學麥迪遜分校WEMPEC主任Thomas M. JAHNS在8月28日上午舉行的“新能源汽車電驅動技術創新”技術研討會上發表了專題演講。

要點:

1.采用寬帶隙半導體WBG開關的電流源逆變器CSI為未來深度集成的電驅動系統IMD提供了極大的希望；2.CSI-IMDs多種集成設計方案的溫升測試表明，即使是全封閉不通風(TENV)設計方案也能滿足器件溫度極限。

3.我們需要做更多的工作來解決其他環境挑戰，包括溫度循環耐久性和振動。

以下為現場演講:

大家早上好。很榮幸有機會和大家分享我們的研究成果和觀點，可惜因為疫情原因不能親自出席，只能在網上和大家分享。我今天很喜歡這個題目，講的是電力電子及其在電機驅動實踐中面臨的挑戰。

首先，我給大家簡單介紹一下威斯康星大學麥迪遜分校。我們在美國中北部，靠近芝加哥，周圍環境很美。學校約有5萬名學生，大部分從事工程相關的研究。我在電子計算機學院，也從事電機相關的研究。事實上，我們與業界和學術界有著長期的合作。可以說，我們與業界的溝通與合作是非常漫長的。去年，我們慶祝了創新與合作40周年。這是我們團隊的合影。今天，我也代表我所有的同事和大家問好。也希望有一天大家能來麥迪遜和我們面對面交流。

今天我和大家分享一個集成電驅動領域的革命性進展，或者說是一次進化。目前碳化硅的應用速度快十倍左右，可以實現更高的功率密度，更適合高電壓場景下的應用。其實碳化硅本身的演變就代表了電驅動行業的創新。另一方面，傳統的電力驅動系統是分離的，電機和控制器是分開的，由傳統的電纜和電線控制。現在我們要做的就是整合所有分散的盒子。但我們不是簡單的肉體結合，而是真正的融合，未來我們會接受這種長期的改變。

而寬帶隙半導體有機會讓我們實現這樣的愿景。它的潛在優勢是什么？首先，由于共同的外殼和熱管理系統，功率密度的提升非常明顯。其次，對于大規模制造，其制造優勢明顯。三是高帶寬、容錯的模塊化架構。但是仍然有許多挑戰。今天，我想向你們介紹這些挑戰。當把電子動力集成到電驅動器中時，整個環境實際上是非常復雜的。這方面我后面會簡單介紹一下。

這種設備對于電機驅動非常重要，也可以幫助我們進一步解決這個挑戰。在這張幻燈片上，我們希望更多地關注散熱挑戰，尤其是嵌入功率電子器件，并將其進一步集成到集成式電機驅動器中。我們的熱管理挑戰是什么，如何解決它們？希望通過我的演講，能進一步激發大家相信這個前景，擁抱這個技術趨勢。

熱管理的挑戰首先是材料的熱性能，然后是功率電子器件。對于電機，溫度容差至少應為180℃，在一些高性能應用中，為200℃。但其他電力電子器件的耐溫性一般在125℃的水平，所以存在50℃以上的溫差。對于IMD系統架構，將所有組件集成在一起將面臨傳熱的挑戰。很多年來，我們一直被問到這個問題，這種電力電子器件和電機如何集成，我想和大家分享一下解決溫度極限的做法。

首先，我們必須挑戰標準的思維模式。目前，電壓源型VSI逆變器技術廣泛應用于電機逆變器，還有一種電流源型CSI解決方案很少使用。我們為什么對VSI和CSI感興趣？因為它們可以幫助我們解決未來的熱挑戰，因為它們有很多非常吸引人的特性。基于寬帶隙半導體的電流源逆變器CSI技術將成為未來集成電力驅動系統的關鍵技術。它的主要優點之一是它在高溫下的性能。從系統拓撲來看，VSI需要使用電解電容和薄膜電容，但是電解電容的耐溫性是105℃，薄膜電容是……5℃，這限制了VSI拓撲逆變器的熱環境。在CSI拓撲中，感性器件的耐溫性可以達到200℃，陶瓷電容的耐溫性可以達到150℃。從整個系統的熱管理的角度來看，CSI逆變器和電容器在高溫下可以具有相同的熱特性。我們也驗證了這個項目。如果一年前你參加了今天的會議，你可能還記得這個項目。我想回顧一下當時這個項目的研究成果和進展。該項目是由美國能源部資助的尖端研究項目APER-E。在這個研究項目中，我們將高性能WBG和CSI相結合，進一步集成電氣驅動系統。這是一個為期三年的項目。主要進步是功率密度的進步和變化。我們使整個項目更具挑戰性。嵌入式不僅有逆變器，還有其他一些嵌入式器件。它有三個功能，可以向逆變器和電容器傳輸功率。同時也可以很好的應用在交流電網和交流負載中，支持電動汽車制動能量的回收。然而，仍然存在許多挑戰。我們采用了雙有源橋結構來提高功率密度。

正如你所看到的，這是一個3kW的電力驅動系統原型。電力電子逆變器嵌入電機室內。逆變器包含三層PCB，散熱風扇功率3W。還有一個命題，就是我們證明了通過附加鋁層結構可以實現系統集成。這張幻燈片顯示了逆變器的電壓和電流波形。左手邊的波形是設備端運行的波形，看起來很理想，第三年效率98%。我們也看到這個圖表中顯示的功率密度和其他性能指標對于電動汽車的應用是非常高效的，比我們預定的目標高出一倍。三年項目結束后，我們可以獲得一些其他資金。我和整個團隊決定用這些額外的資金進一步擴大研究，也就是下一代CSI-IMD，重點解決熱火的挑戰。我們在同一個電驅動系統的腔體下部安裝了電力電子設備，還增加了空氣冷卻系統。在右邊，顯示了他的一個系統集成方案。我們可以看到所有的供電器件都焊接在PCB電源板上，用壓環安裝在端室的鋁殼上，用熱接口材料進行電氣隔離，控制器集成在CSI傳感器板上，減少了PCB的數量。我其實很擔心我能不能完成這個工作，但是我的學生確實把整個控制器直接安裝在同一塊平板上，這也防止了一些EMI問題。其實這個項目難度很大，因為要實現制冷有太多的細節在里面，但是當時我們用了一種壓力和溫度同時測試的方式，這是一個很直接的思路。其實我們在采用一些技術的時候沒有別的選擇，除了直接提取熱量，包括把熱量全部提取到整個電機外殼，我們就是這么做的。我們設計了兩種冷卻通道，并比較了五種不同冷卻方案的冷卻效果。TENV是全封閉式方案，沒有散熱結構，3kW功率下110℃的溫升仍然在溫度極限內，是所有方案中最差的情況，并且在測試中發現小于120度，也就是離其極限值有50度左右的空間，可以說是我們可以達到的優勢。但是，我們實際上是嚴格做實驗的，只是你在行駛過程中實際上有一個外部氣流，可以自動降溫。但是，我們在做實驗時想避開這個環節，純粹考慮所有的熱傳導，看看在一個封閉的空間里，我們能承受多少熱的挑戰。所以我們很高興也很自豪，即使沒有外部冷卻系統，我們現在做的也是一個極端的實驗，可以說是意料之外。在另外兩個性能最好的方案中，他主動吸收外界空氣，利用外界空氣散熱，溫升小于80℃。

這張幻燈片實際上是向你解釋一些關鍵電力電子器件的最高工作溫度。在測試過程中，我們還選擇了幾個關鍵設備來觀察TENV和TESFC配置下的額定運行條件，并使用熱電偶來監控已識別組件的外殼/外表面溫度。T……y也會發熱，所以結論是，即使在參數非常相近的情況下，做功時這些部分的溫度其實是非常均衡的。你可以看看我們的對比數據。目前變頻器在全封閉設計方案下可以滿負荷運行，所有器件都在溫度限制范圍內。

我們還需要做什么？首先，在寒冷環境下需要更多的研究，特別是在整個運行壽命中，溫度循環的耐久性更重要，特別是在深度集成的電機驅動系統中，我們需要保證溫度循環，這是我們現在面臨的一個非常重要的挑戰。除了溫度，還有抗震性的挑戰。

最后得出結論，WBG開關的CSI為IMD的未來提供了很大的希望，包括提高高溫性能。CSI-IMDs的幾個一體化設計方案的溫升測試表明，即使是全封閉不通風(TENV)也能滿足器件溫度極限！我們需要做更多的工作來解決其他環境挑戰，包括溫度循環耐久性和振動。

我們也希望您能參與后續的研究工作。我們在威斯康星州和全球其他研究中心取得了進展，這進一步表明未來深度集成電驅動系統的潛力和前景更加光明。

感謝您的關注。

(注:本文根據現場速記整理，未經發言人審核。)由中國科學技術協會、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局聯合主辦的第四屆世界新能源汽車大會(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南線上線下舉辦。其中，北京會場位于北京經濟技術開發區藝創國際會展中心。

會議由中國汽車工程學會等單位主辦，將以“碳中和愿景下的全電動化與全球合作”為主題，邀請全球政產學研各界代表共同探討。大會將包括20多場會議，13，000平方米的技術展覽和許多同期活動。200多位政府高級領導人、海外機構官員、全球商界領袖、學者和行業專家將出席會議并發表演講。

其中，美國工程院院士、威斯康星大學麥迪遜分校WEMPEC主任Thomas M. JAHNS在8月28日上午舉行的“新能源汽車電驅動技術創新”技術研討會上發表了專題演講。

要點:

1.采用寬帶隙半導體WBG開關的電流源逆變器CSI為未來深度集成的電驅動系統IMD提供了極大的希望；2.CSI-IMDs多種集成設計方案的溫升測試表明，即使是全封閉不通風(TENV)設計方案也能滿足器件溫度極限。

3.我們需要做更多的工作來解決其他環境挑戰，包括溫度循環耐久性和振動。

以下為現場演講:

大家早上好。很榮幸有機會和大家分享我們的研究成果和觀點，可惜因為疫情原因不能親自出席，只能在網上和大家分享。我今天很喜歡這個題目，講的是電力電子及其在電機驅動實踐中面臨的挑戰。

首先，我給大家簡單介紹一下威斯康星大學麥迪遜分校。我們在美國中北部，靠近芝加哥，周圍環境很美。學校約有5萬名學生，大部分從事工程相關的研究。我在電子計算機學院，也從事電機相關的研究。事實上，我們與業界和學術界有著長期的合作。可以說，我們與業界的溝通與合作是非常漫長的。去年，我們慶祝了創新與合作40周年。這是我們團隊的合影。今天，我也代表我所有的同事和大家問好。也希望有一天大家能來麥迪遜和我們面對面交流。

今天我和大家分享一個集成電驅動領域的革命性進展，或者說是一次進化。目前碳化硅的應用速度快十倍左右，可以實現更高的功率密度，更適合高電壓場景下的應用。其實碳化硅本身的演變就代表了電驅動行業的創新。另一方面，傳統的電力驅動系統是分離的，電機和控制器是分開的，由傳統的電纜和電線控制。現在我們要做的就是整合所有分散的盒子。但我們不是簡單的肉體結合，而是真正的融合，未來我們會接受這種長期的改變。

而寬帶隙半導體有機會讓我們實現這樣的愿景。它的潛在優勢是什么？首先，由于共同的外殼和熱管理系統，功率密度的提升非常明顯。其次，對于大規模制造，其制造優勢明顯。三是高帶寬、容錯的模塊化架構。但是仍然有許多挑戰。今天，我想向你們介紹這些挑戰。當把電子動力集成到電驅動器中時，整個環境實際上是非常復雜的。這方面我后面會簡單介紹一下。

這種設備對于電機驅動非常重要，也可以幫助我們進一步解決這個挑戰。在這張幻燈片上，我們希望更多地關注散熱挑戰，尤其是嵌入功率電子器件，并將其進一步集成到集成式電機驅動器中。我們的熱管理挑戰是什么，如何解決它們？希望通過我的演講，能進一步激發大家相信這個前景，擁抱這個技術趨勢。

熱管理的挑戰首先是材料的熱性能，然后是功率電子器件。對于電機，溫度容差至少應為180℃，在一些高性能應用中，為200℃。但其他電力電子器件的耐溫性一般在125℃的水平，所以存在50℃以上的溫差。對于IMD系統架構，將所有組件集成在一起將面臨傳熱的挑戰。很多年來，我們一直被問到這個問題，這種電力電子器件和電機如何集成，我想和大家分享一下解決溫度極限的做法。

首先，我們必須挑戰標準的思維模式。目前，電壓源型VSI逆變器技術廣泛應用于電機逆變器，還有一種電流源型CSI解決方案很少使用。我們為什么對VSI和CSI感興趣？因為它們可以幫助我們解決未來的熱挑戰，因為它們有很多非常吸引人的特性。基于寬帶隙半導體的電流源逆變器CSI技術將成為未來集成電力驅動系統的關鍵技術。它的主要優點之一是它在高溫下的性能。從系統拓撲來看，VSI需要使用電解電容和薄膜電容，但是電解電容的耐溫性是105℃，薄膜電容是……5℃，這限制了VSI拓撲逆變器的熱環境。在CSI拓撲中，感性器件的耐溫性可以達到200℃，陶瓷電容的耐溫性可以達到150℃。從整個系統的熱管理的角度來看，CSI逆變器和電容器在高溫下可以具有相同的熱特性。我們也驗證了這個項目。如果一年前你參加了今天的會議，你可能還記得這個項目。我想回顧一下當時這個項目的研究成果和進展。該項目是由美國能源部資助的尖端研究項目APER-E。在這個研究項目中，我們將高性能WBG和CSI相結合，進一步集成電氣驅動系統。這是一個為期三年的項目。主要進步是功率密度的進步和變化。我們使整個項目更具挑戰性。嵌入式不僅有逆變器，還有其他一些嵌入式器件。它有三個功能，可以向逆變器和電容器傳輸功率。同時也可以很好的應用在交流電網和交流負載中，支持電動汽車制動能量的回收。然而，仍然存在許多挑戰。我們采用了雙有源橋結構來提高功率密度。

正如你所看到的，這是一個3kW的電力驅動系統原型。電力電子逆變器嵌入電機室內。逆變器包含三層PCB，散熱風扇功率3W。還有一個命題，就是我們證明了通過附加鋁層結構可以實現系統集成。這張幻燈片顯示了逆變器的電壓和電流波形。左手邊的波形是設備端運行的波形，看起來很理想，第三年效率98%。我們也看到這個圖表中顯示的功率密度和其他性能指標對于電動汽車的應用是非常高效的，比我們預定的目標高出一倍。三年項目結束后，我們可以獲得一些其他資金。我和整個團隊決定用這些額外的資金進一步擴大研究，也就是下一代CSI-IMD，重點解決熱火的挑戰。我們在同一個電驅動系統的腔體下部安裝了電力電子設備，還增加了空氣冷卻系統。在右邊，顯示了他的一個系統集成方案。我們可以看到所有的供電器件都焊接在PCB電源板上，用壓環安裝在端室的鋁殼上，用熱接口材料進行電氣隔離，控制器集成在CSI傳感器板上，減少了PCB的數量。我其實很擔心我能不能完成這個工作，但是我的學生確實把整個控制器直接安裝在同一塊平板上，這也防止了一些EMI問題。其實這個項目難度很大，因為要實現制冷有太多的細節在里面，但是當時我們用了一種壓力和溫度同時測試的方式，這是一個很直接的思路。其實我們在采用一些技術的時候沒有別的選擇，除了直接提取熱量，包括把熱量全部提取到整個電機外殼，我們就是這么做的。我們設計了兩種冷卻通道，并比較了五種不同冷卻方案的冷卻效果。TENV是全封閉式方案，沒有散熱結構，3kW功率下110℃的溫升仍然在溫度極限內，是所有方案中最差的情況，并且在測試中發現小于120度，也就是離其極限值有50度左右的空間，可以說是我們可以達到的優勢。但是，我們實際上是嚴格做實驗的，只是你在行駛過程中實際上有一個外部氣流，可以自動降溫。但是，我們在做實驗時想避開這個環節，純粹考慮所有的熱傳導，看看在一個封閉的空間里，我們能承受多少熱的挑戰。所以我們很高興也很自豪，即使沒有外部冷卻系統，我們現在做的也是一個極端的實驗，可以說是意料之外。在另外兩個性能最好的方案中，他主動吸收外界空氣，利用外界空氣散熱，溫升小于80℃。

這張幻燈片實際上是向你解釋一些關鍵電力電子器件的最高工作溫度。在測試過程中，我們還選擇了幾個關鍵設備來觀察TENV和TESFC配置下的額定運行條件，并使用熱電偶來監控已識別組件的外殼/外表面溫度。T……y也會發熱，所以結論是，即使在參數非常相近的情況下，做功時這些部分的溫度其實是非常均衡的。你可以看看我們的對比數據。目前變頻器在全封閉設計方案下可以滿負荷運行，所有器件都在溫度限制范圍內。

我們還需要做什么？首先，在寒冷環境下需要更多的研究，特別是在整個運行壽命中，溫度循環的耐久性更重要，特別是在深度集成的電機驅動系統中，我們需要保證溫度循環，這是我們現在面臨的一個非常重要的挑戰。除了溫度，還有抗震性的挑戰。

最后得出結論，WBG開關的CSI為IMD的未來提供了很大的希望，包括提高高溫性能。CSI-IMDs的幾個一體化設計方案的溫升測試表明，即使是全封閉不通風(TENV)也能滿足器件溫度極限！我們需要做更多的工作來解決其他環境挑戰，包括溫度循環耐久性和振動。

我們也希望您能參與后續的研究工作。我們在威斯康星州和全球其他研究中心取得了進展，這進一步表明未來深度集成電驅動系統的潛力和前景更加光明。

感謝您的關注。

(注:本文根據現場速記整理，未經發言人審核。)

標簽：北京發現

汽車資訊熱門資訊