基于傳統(tǒng)硅基IGBT的電機(jī)控制器

一、前言

對新能源汽車而言，電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制器技術(shù)被稱為新能源汽車關(guān)鍵三電技術(shù)。在當(dāng)前電池技術(shù)未能取得突破的前提下，提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的效率、功率密度、安全性與可靠性成為新能源汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要研究方向，也是我國政府和企業(yè)進(jìn)行政策制定和未來發(fā)展規(guī)劃的重點(diǎn)對象。

二、驅(qū)動控制器關(guān)鍵技術(shù)

電機(jī)驅(qū)動控制器作為新能源汽車中連接電池與電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機(jī)驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心。其中高性能功率半導(dǎo)體器件、智能門極驅(qū)動技術(shù)以及器件級集成設(shè)計方法的應(yīng)用，將有助于實現(xiàn)高功率密度、低損耗、高效率電機(jī)控制器設(shè)計；同時，高性能、高可靠電機(jī)控制器產(chǎn)品，還要求具有高標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容性（EMC）、功能安全和可靠性設(shè)計。

（一）功率半導(dǎo)體器件技術(shù)

電機(jī)控制器的發(fā)展以功率半導(dǎo)體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、傳統(tǒng)單面冷卻封裝技術(shù)，向?qū)捊麕О雽?dǎo)體（如SiC、GaN等）、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發(fā)展。同時，得益于成熟的技術(shù)迭代，以及相比于寬禁帶半導(dǎo)體器件更低的成本，硅基IGBT仍然是當(dāng)前與未來較長時間內(nèi)電機(jī)控制器產(chǎn)品的主要選擇。

在硅基IGBT芯片技術(shù)上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發(fā)出EDT2芯片技術(shù)，實現(xiàn)了750V/270A IGBT芯片量產(chǎn)，富士集團(tuán)等日本廠商也都相繼研發(fā)出了高功率密度IGBT芯片技術(shù)，并已批量應(yīng)用于汽車IGBT模塊產(chǎn)品。此外，與硅基器件（如IGBT、MOSFET等）相比，SiC器件屬于第三代半導(dǎo)體材料功率器件，具有高熱導(dǎo)率、耐高溫、禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、飽和電子漂移速率大等優(yōu)勢，結(jié)溫耐受可以達(dá)到225 ℃甚至更高，遠(yuǎn)高于當(dāng)前硅基IGBT 175 ℃的最高應(yīng)用結(jié)溫。SiC器件開關(guān)速度更快，可應(yīng)用于更高的開關(guān)頻率，更適用于高速電機(jī)的控制。同時，相比硅基IGBT，SiC器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗均大幅降低，有助于降低整車百千米耗電量，提升整車?yán)m(xù)航里程[1]。但是當(dāng)前SiC器件成本仍遠(yuǎn)高于硅基IGBT，這成為阻礙SiC器件推廣的重要因素。

同時，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結(jié)、瞬態(tài)液相焊接等新型封裝技術(shù)可以提高IGBT功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的IGBT模塊與電機(jī)控制器產(chǎn)品，部分已隨整車產(chǎn)品獲得批量應(yīng)用?；诠杌鵌GBT的電機(jī)控制器設(shè)計在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍將為市場的主流選擇，硅基IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術(shù)將在不斷的優(yōu)化迭代中獲得提升。

（二）智能門極驅(qū)動技術(shù)

門極驅(qū)動技術(shù)是電機(jī)控制器中高壓功率半導(dǎo)體器件和低壓控制電路的紐帶，是驅(qū)動功率半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵。IGBT門極驅(qū)動除具有基本的隔離、驅(qū)動和保護(hù)功能外，還需結(jié)合IGBT自身特性，精確地控制開通和關(guān)斷過程，使IGBT在損耗和電磁干擾（EMI）之間取得最佳的折衷[2]。

智能門極驅(qū)動的兩大主要特點(diǎn)分別為：主動門極控制和監(jiān)控診斷功能。主動門極控制是根據(jù)工作運(yùn)行環(huán)境和工況，對IGBT開關(guān)過程進(jìn)行主動精細(xì)化最優(yōu)控制的一種方法。主動門極控制技術(shù)是當(dāng)前IGBT應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其基本思路是把IGBT 開通過程和關(guān)斷過程分別劃分為幾個不同的階段，針對某一問題只需對相應(yīng)的階段進(jìn)行獨(dú)立的門極調(diào)控，對其他參數(shù)產(chǎn)生很小的（甚至不產(chǎn)生）負(fù)面影響[3]。

綜上所述，智能門極驅(qū)動的應(yīng)用，將有助于充分發(fā)揮功率半導(dǎo)體器件性能，如降低損耗、提升電壓利用率等，并實現(xiàn)功率半導(dǎo)體器件的健康狀態(tài)在線評估，滿足電機(jī)控制器高安全性、高可靠性設(shè)計的目標(biāo)。

（三）功率組件的集成設(shè)計

國際上典型的電機(jī)控制器產(chǎn)品為適應(yīng)新能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數(shù)的功率半導(dǎo)體模塊封裝均為定向設(shè)計[4]，功率半導(dǎo)體器件與其他電子部件之間的界限日趨融合，基于器件的集成設(shè)計已成為新能源汽車電機(jī)控制器發(fā)展的新趨勢。

器件級集成設(shè)計技術(shù)主要分為物理集成與需求集成設(shè)計。物理集成設(shè)計是通過研究電機(jī)各個器件之間物理結(jié)構(gòu)的集成設(shè)計方法，實現(xiàn)寄生參數(shù)、散熱、機(jī)械強(qiáng)度等的平衡優(yōu)化，實現(xiàn)機(jī)、電、熱、磁等的最優(yōu)設(shè)計，最終達(dá)到電機(jī)控制器高功率密度、高可靠性的設(shè)計目標(biāo)。需求集成設(shè)計技術(shù)是指將整車和電驅(qū)動系統(tǒng)需求向前延伸至IGBT芯片設(shè)計、功率模塊封裝領(lǐng)域，根據(jù)整車設(shè)計與性能需求，建立以整車需求為導(dǎo)向，由系統(tǒng)向核心零部件自上而下的優(yōu)化設(shè)計方法。其所帶來的優(yōu)勢將是整車?yán)m(xù)航里程的增加或電池容量需求的降低。

（四）其他關(guān)鍵技術(shù)

除上文所述三大關(guān)鍵技術(shù)以外，還有下述幾個關(guān)鍵技術(shù)需要在未來的新能源汽車產(chǎn)業(yè)引起重視。

（1）EMC與可靠性設(shè)計也是實現(xiàn)新能源汽車電機(jī)控制器產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)。EMC與可靠性設(shè)計是評價電力電子產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)。進(jìn)行更有效的EMC設(shè)計是業(yè)內(nèi)一直在追尋的目標(biāo)。其中，基于有限元分析的方法建立“元件-部件-控制器”的EMC高頻仿真模型，研究失效機(jī)理，并結(jié)合試驗驗證，最終實現(xiàn)電磁兼容的正向設(shè)計，將逐漸成為主流的技術(shù)路線。

（2）汽車功能安全設(shè)計可以消除或顯著降低由電子與電氣系統(tǒng)的功能異常而引起的各類整車安全風(fēng)險。當(dāng)前電機(jī)控制器功能安全需求多為ASIL C等級，但在未來，電機(jī)控制器功能安全需求或?qū)⑻嵘秊锳SIL D級，這需要復(fù)雜度更高、冗余性更強(qiáng)、可靠性指標(biāo)更高的電機(jī)控制器產(chǎn)品設(shè)計[5]。

（3）電機(jī)控制器產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。電機(jī)控制器作為新能源汽車的核心驅(qū)動單元，其可靠性指標(biāo)直接影響著整車的駕乘體驗與市場口碑。德國和美國汽車電子廠商聯(lián)合提出了魯棒性驗證（RV）方法[6]，該方法已經(jīng)被英飛凌科技公司、博世集團(tuán)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體分立器件的可靠性設(shè)計分析，對于諸如電機(jī)控制器等的復(fù)雜系統(tǒng)，其適用性與有效性還在進(jìn)一步探索中。

三、驅(qū)動電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

新能源汽車采用電動機(jī)取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)作為動力輸出部件。隨著新能源汽車對驅(qū)動電機(jī)寬調(diào)速范圍、高功率密度、高效率等性能要求的提高，稀土永磁體勵磁的永磁同步電機(jī)技術(shù)逐漸取代傳統(tǒng)直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動技術(shù)作為新能源汽車的主流驅(qū)動電機(jī)解決方案。但是，隨著驅(qū)動電機(jī)功率密度和效率的不斷提高，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)工藝制造的永磁同步電機(jī)也逐漸難以滿足當(dāng)前市場的競爭需求，各大傳統(tǒng)主機(jī)廠和新興造車勢力迫切需要尋找新的技術(shù)解決方案。

（一）扁銅線技術(shù)

發(fā)卡式(也稱為扁銅線)定子繞組如圖1所示。采用發(fā)卡式定子繞組可以提高電機(jī)定子的槽滿率，從而提高電機(jī)的功率密度。此外，發(fā)卡式定子繞組的端部尺寸較短，因而擁有更低的銅損以及更好的散熱性能。當(dāng)前該類電機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備和專利，主要由日本、意大利和德國等傳統(tǒng)汽車強(qiáng)國所引領(lǐng)。從2018年開始，國內(nèi)的深圳市匯川技術(shù)有限公司、松正電動汽車技術(shù)股份有限公司等電動汽車零部件供應(yīng)商也陸續(xù)發(fā)力，推出了自己的扁銅線電機(jī)產(chǎn)品。

然而，相對于傳統(tǒng)圓銅線繞組而言，扁銅線繞組的高頻趨膚效應(yīng)顯著。對于大功率驅(qū)動電機(jī)，發(fā)卡式定子繞組帶來的環(huán)流損耗也更加突出[7,8]。發(fā)卡式繞組的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，扁銅線彎折后絕緣層容易損壞產(chǎn)生缺口或破面。降低發(fā)卡式定子繞組的趨膚效應(yīng)和渦流損耗是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。提高發(fā)卡式定子繞組的材料加工技術(shù)和制造精度將有利于該項技術(shù)國產(chǎn)化的推廣。

（二）多相永磁電機(jī)技術(shù)

多相電機(jī)在輸出相同功率時的母線電壓低于傳統(tǒng)的三相電機(jī)，且具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動和更強(qiáng)的容錯能力[9]，因此適用于對噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)[10]。以雙三相永磁同步電機(jī)為例，電機(jī)的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢，大大減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動[11,12]。同時，雙三相永磁同步電機(jī)兩套繞組采用隔離中線設(shè)計，相比4相與5相電機(jī)，降低了系統(tǒng)的階次，便于分析與控制，在電機(jī)與控制器發(fā)生故障時，控制算法不需要大的更改即可實現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的容錯運(yùn)行控制，因此雙三相永磁同步電機(jī)也成為了新能源汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。

（三）永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)

永磁同步磁阻電機(jī)是“永磁同步電機(jī)+磁阻電機(jī)”的融合，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，其永磁體磁鏈較小、磁阻轉(zhuǎn)矩較大，是一種少稀土/無稀土永磁電機(jī)方案。同時，其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問題，還具有更寬廣的高效率調(diào)速范圍。因此，該技術(shù)路線已經(jīng)被應(yīng)用于寶馬公司的i3和i8系列車型（見圖2）。

永磁同步磁阻電機(jī)是當(dāng)前行業(yè)界普遍看好的技術(shù)路線。但是其也面臨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜、制造設(shè)備成本高、最優(yōu)電流角度變化大等問題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，該技術(shù)的發(fā)展對于一些嚴(yán)重依賴廉價稀土永磁體、研發(fā)能力和制造加工能力差的企業(yè)將是不小的沖擊。

（四）輪轂電機(jī)技術(shù)

輪轂電機(jī)的形式多樣，但國內(nèi)外的研究多集中在外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)[13～16]。輪轂電機(jī)的應(yīng)用能夠給新能源汽車帶來一系列明顯優(yōu)勢：省掉了變速器、傳動軸、差速器等機(jī)械傳動部分，可以實現(xiàn)四輪分布式驅(qū)動，且留下更多的底盤空間給電池包。但是，驅(qū)動電機(jī)的輪轂化目前還面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，比如：大大增加了簧下質(zhì)量和車輪的轉(zhuǎn)動慣量、較難處理電機(jī)的防水和防塵問題、散熱問題和較復(fù)雜的驅(qū)動控制算法等[16]。當(dāng)前，Protean、Elaphe等國外企業(yè)推出了一系列產(chǎn)品樣機(jī)（見圖3），并和國內(nèi)亞太機(jī)電股份有限公司、萬安科技股份有限公司等企業(yè)進(jìn)行了國產(chǎn)化合作。而國內(nèi)以湖北泰特機(jī)電有限公司為首的企業(yè)也緊隨其后推出了一系列針對大型商用車輛和特種車輛的輪轂電機(jī)方案。

（五）永磁體散熱技術(shù)

永磁體性能的穩(wěn)定對于車用驅(qū)動電機(jī)的輸出性能具有至關(guān)重要的作用。而工作溫度的升高往往會讓永磁體產(chǎn)生退磁，從而降低驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。過高的永磁體工作溫度還會導(dǎo)致驅(qū)動電機(jī)的高效率運(yùn)行區(qū)域縮小、功率因數(shù)減小 [17]。針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者在永磁電機(jī)的永磁體溫度監(jiān)測技術(shù)方面做了較多理論研究[18]。但是在新能源汽車驅(qū)動電機(jī)中，使用性能穩(wěn)定的低成本溫度傳感器來提供必需的溫度監(jiān)測功能依然是當(dāng)前唯一的可靠選擇。

目前針對電機(jī)散熱方式的研究，往往都是基于定子和端部繞組的分析，若能從電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度來研究電機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)和散熱方式，對于提高新能源汽車的動力穩(wěn)定性有重要意義。此外，研制應(yīng)用于高功率密度電機(jī)的耐高溫永磁體則能從根本上解決永磁體高負(fù)荷、高溫工況下的磁性能退化問題。

（六）其他技術(shù)

在新能源汽車領(lǐng)域，我國還處于跟跑和起步階段，未來還需要具體關(guān)注的領(lǐng)域有：超級銅線技術(shù)，串并聯(lián)繞組切換電機(jī)技術(shù)，高耐壓絕緣材料技術(shù)，局部去磁化技術(shù)。

此外，我國在高速軸承技術(shù)、無刷電勵磁同步電機(jī)技術(shù)、電機(jī)電控深度集成等多個方面和西方發(fā)達(dá)國家仍然有著較大的差距，需要我國在未來產(chǎn)業(yè)布局和科研項目中進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān)。如果一味依賴稀土永磁資源的優(yōu)勢，我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)在未來競爭中遲早會面臨西方國家在環(huán)保問題上的技術(shù)壁壘。

四、結(jié)語

未來的5至10年，新能源汽車將進(jìn)入黃金發(fā)展期，我國作為世界上最大的汽車市場，將面臨新一輪產(chǎn)業(yè)界洗牌。基于傳統(tǒng)硅基IGBT的電機(jī)控制器在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍將是市場主力，但是隨著SiC器件生產(chǎn)成本的降低，高可靠性的800 V高壓SiC驅(qū)動系統(tǒng)將是下一代乘用車驅(qū)動控制器發(fā)展的方向。我國需警惕對“稀土永磁紅利”的依賴，提前布局前沿的電機(jī)設(shè)計技術(shù)、材料技術(shù)、先進(jìn)制造加工技術(shù)和高精度加工設(shè)備，以應(yīng)對未來西方發(fā)達(dá)國家利用其先進(jìn)的少稀土/無稀土永磁電機(jī)技術(shù)路線來建立針對稀土永磁電機(jī)的技術(shù)壁壘。