霍尼韋爾相變化材料為車載逆變器賦能

在新能源汽車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，逆變器扮演著至關(guān)重要的角色，其核心任務(wù)是將電池中的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為交流電（AC），以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)前，新能源汽車正朝著更高續(xù)航里程、快充、更大空間、更加智能化、綠色與可持續(xù)等方向發(fā)展。這些高耗能的發(fā)展趨勢，為更大功率的碳化硅逆變器帶來了市場需求。

根據(jù)《電力電子技術(shù)與應(yīng)用》報(bào)道，全球2023年第四季裝配碳化硅功率芯片的逆變器已占整體逆變器裝機(jī)量15%。而據(jù)S&P Global Mobility預(yù)測，預(yù)計(jì)到2034年，碳化硅逆變器的需求將以22.8%的復(fù)合年增長率增長，達(dá)到5250萬臺(tái)。

更高功率的輸出，也帶來了更高的熱量。如何解決功率逆變器導(dǎo)熱問題？在相變化材料領(lǐng)域深耕30多年的霍尼韋爾，為頭痛不已的逆變器廠商推出一款理想的材料解決方案。

01

成功應(yīng)用于碳化硅MOSFET逆變器

霍尼韋爾的相變化材料已經(jīng)成功應(yīng)用于碳化硅MOSFET逆變器中。

實(shí)際上，碳化硅逆變器正在演變成新能源汽車逆變器的主流方案之一。

2021年以來，隨著特斯拉率先在model 3的主驅(qū)上采用全碳化硅模塊后，碳化硅在汽車界掀起一股“上車熱”，比亞迪等越來越多車企開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導(dǎo)入碳化硅技術(shù)。

根據(jù)《電力電子技術(shù)與應(yīng)用》報(bào)道，2022年，特斯拉生產(chǎn)了近204萬臺(tái)碳化硅逆變器，引領(lǐng)了碳化硅生產(chǎn)。

碳化硅逆變器的“上位”原因在于，與硅基IGBT相比，碳化硅具有更高的電場擊穿能力、更好的熱導(dǎo)率、在更高的溫度工作，以及更高的開關(guān)頻率(由于電子禁帶寬)，因而開關(guān)和傳導(dǎo)損耗更低。

霍尼韋爾的相變化材料，緊跟著著新能源汽車逆變器的變化。

不過，有“金剛鉆”才能“攬瓷器活”。

碳化硅逆變器的誕生，應(yīng)對更高的電壓是主要的原因之一。為了提升新能源汽車?yán)m(xù)航里程以及滿足快充的要求，新能源汽車電池由400V向800V發(fā)展。奧迪、保時(shí)捷、現(xiàn)代和起亞等汽車品牌已經(jīng)搬出基于800V架構(gòu)的電動(dòng)汽車。

霍尼韋爾相變化材料在碳化硅MOSFET逆變器的應(yīng)用，正是基于800V的電壓平臺(tái)。

更高電壓意味著更大功率和更高溫度。硅基功率模塊工作溫度不超過80℃，而碳化硅功率模塊工作溫度動(dòng)輒上100℃。

高溫的條件下，考驗(yàn)著導(dǎo)熱界面材料的導(dǎo)熱效率，而導(dǎo)熱效果取決于導(dǎo)熱系數(shù)及熱阻?；裟犴f爾已發(fā)布導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到8.5瓦的相變材料，為目前業(yè)內(nèi)少有的導(dǎo)熱水準(zhǔn)。

另外，霍尼韋爾從分子層面開始對導(dǎo)熱界面材料的每一種組分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、篩選和優(yōu)化，基于分子層面的優(yōu)化，霍尼韋爾相變化材料具備了較低熱阻。

提升新能源汽車?yán)m(xù)航里程，除了提升電壓，提高零部件的集成度是另一條重要手段。汽車中更高的集成度可以提升空間利用率，減少系統(tǒng)損耗和提供更好的熱性能。截至2023年，電機(jī)+逆變器的集成是新能源汽車中使用最廣泛的配置。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，到2034年，這種配置的份額將增加到61%。

尺寸的縮減傳導(dǎo)到逆變器。在同等功率及安全性等條件下，車載逆變器重量和體積越小越好，可滿足汽車輕量化的需求。

霍尼韋爾相變化材料同樣可為車載逆變器體積小型化助力?；裟犴f爾相變化材料的相變溫度為45℃，施加一定壓力后，實(shí)際使用中的薄度可達(dá)到0.05毫米。相較于傳統(tǒng)的導(dǎo)熱界面材料，不但可以明顯減少導(dǎo)熱界面材料的厚度（減少2~3毫米），而且由于優(yōu)秀的導(dǎo)熱效果，同時(shí)縮小了散熱面的設(shè)計(jì)尺寸。

02

125℃下1000小時(shí)循環(huán)壽命

新能源汽車工作的環(huán)境較復(fù)雜，需要面對不同的路況及環(huán)境，另外還需要長達(dá)10年的服役期。

這意味著逆變器長期在高電壓、強(qiáng)電流、隨機(jī)振動(dòng)沖擊以及大量電磁干擾的環(huán)境中運(yùn)行，其性能直接關(guān)系電機(jī)功率的輸出表現(xiàn)和新能源汽車的續(xù)航能力。

因此，如何在滿足高效導(dǎo)熱的同時(shí)，確保其穩(wěn)定可靠的工作也同樣重要。

其中，導(dǎo)熱界面材料的抗垂流性備受廠商關(guān)注。霍尼韋爾對相變化材料分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其分子結(jié)構(gòu)比硅脂的硅氧結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)力度更困難，不容易位移，難以產(chǎn)生分子的分解或者游離，使得可靠性提升。

因此，無論是在車輛的震動(dòng)情況下，還是在逆變器垂直放置的狀態(tài)下，霍尼韋爾的相變化材料都不易發(fā)生垂流現(xiàn)象。

另外，由于導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱功能主要是通過填料完成，霍尼韋爾將相變化材料的填料以基材進(jìn)行多鏈結(jié)構(gòu)的包覆，可以將填料和基材緊密結(jié)合起來，避免了單鏈結(jié)構(gòu)包覆后容易斷開帶來填料游離的風(fēng)險(xiǎn)，使其具備高可靠性。

霍尼韋爾相變化材料在可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)異。經(jīng)過高溫烘烤的測試，熱循環(huán)的時(shí)候壽命更長。經(jīng)過測試，霍尼韋爾的相變化材料在150℃的條件下仍舊能保持1000小時(shí)的使用壽命。

相較而言，盡管硅脂也能耐高溫達(dá)200℃，但到達(dá)一定溫度后，硅脂會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，難以勝任更高溫度下的導(dǎo)熱任務(wù)。而相變化材料在150℃以內(nèi)，可以保持不流動(dòng)。

在導(dǎo)熱效果方面，與導(dǎo)熱墊片及凝膠相比，兩者厚度更厚，導(dǎo)致導(dǎo)熱路徑長，導(dǎo)熱效果差。從這一點(diǎn)來看，由于相變化材料更薄，導(dǎo)熱效率為5W的相變化材料甚至比10W的墊片效果更好。

基于相變材料的優(yōu)勢，霍尼韋爾正瞄準(zhǔn)新能源汽車碳化硅逆變器的市場。相關(guān)資料顯示，到2034年，豐田、大眾、雷諾-日產(chǎn)-三菱、Stellantis、寶馬、梅賽德斯-奔馳、吉利和特斯拉將引領(lǐng)對碳化硅逆變器的需求。

在碳化硅MOSFET的應(yīng)用案例中，可以看到，霍尼韋爾的相變化材料應(yīng)用于MOSFET功率模組兩側(cè)的雙面水冷板，作為熱源與散熱器件之間的導(dǎo)熱材料。一個(gè)逆變器中設(shè)計(jì)N個(gè)MOSFET芯片，因此可以用到2N片相變化材料。

總體而言，霍尼韋爾相變化材料（PTM7000,PTM7900, PTM7950)在碳化硅逆變器的應(yīng)用中可滿足其小型化設(shè)計(jì)、更高的導(dǎo)熱效率、更可靠的穩(wěn)定性等諸多要求，更好的為逆變器廠商賦能。