WNEVC 2022 | 美国工程院院士Thomas M. JAHNS：电力电子能承受集成电机驱动器的热挑战吗？

由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南线上线下举办。其中，北京会场位于北京经济技术开发区艺创国际会展中心。

会议由中国汽车工程学会等单位主办，将以“碳中和愿景下的全电动化与全球合作”为主题，邀请全球政产学研各界代表共同探讨。大会将包括20多场会议，13，000平方米的技术展览和许多同期活动。200多位政府高级领导人、海外机构官员、全球商界领袖、学者和行业专家将出席会议并发表演讲。

其中，美国工程院院士、威斯康星大学麦迪逊分校WEMPEC主任Thomas M. JAHNS在8月28日上午举行的“新能源汽车电驱动技术创新”技术研讨会上发表了专题演讲。

要点:

1.采用宽带隙半导体WBG开关的电流源逆变器CSI为未来深度集成的电驱动系统IMD提供了极大的希望；2.CSI-IMDs多种集成设计方案的温升测试表明，即使是全封闭不通风(TENV)设计方案也能满足器件温度极限。

3.我们需要做更多的工作来解决其他环境挑战，包括温度循环耐久性和振动。

以下为现场演讲:

大家早上好。很荣幸有机会和大家分享我们的研究成果和观点，可惜因为疫情原因不能亲自出席，只能在网上和大家分享。我今天很喜欢这个题目，讲的是电力电子及其在电机驱动实践中面临的挑战。

首先，我给大家简单介绍一下威斯康星大学麦迪逊分校。我们在美国中北部，靠近芝加哥，周围环境很美。学校约有5万名学生，大部分从事工程相关的研究。我在电子计算机学院，也从事电机相关的研究。事实上，我们与业界和学术界有着长期的合作。可以说，我们与业界的沟通与合作是非常漫长的。去年，我们庆祝了创新与合作40周年。这是我们团队的合影。今天，我也代表我所有的同事和大家问好。也希望有一天大家能来麦迪逊和我们面对面交流。

今天我和大家分享一个集成电驱动领域的革命性进展，或者说是一次进化。目前碳化硅的应用速度快十倍左右，可以实现更高的功率密度，更适合高电压场景下的应用。其实碳化硅本身的演变就代表了电驱动行业的创新。另一方面，传统的电力驱动系统是分离的，电机和控制器是分开的，由传统的电缆和电线控制。现在我们要做的就是整合所有分散的盒子。但我们不是简单的肉体结合，而是真正的融合，未来我们会接受这种长期的改变。

而宽带隙半导体有机会让我们实现这样的愿景。它的潜在优势是什么？首先，由于共同的外壳和热管理系统，功率密度的提升非常明显。其次，对于大规模制造，其制造优势明显。三是高带宽、容错的模块化架构。但是仍然有许多挑战。今天，我想向你们介绍这些挑战。当把电子动力集成到电驱动器中时，整个环境实际上是非常复杂的。这方面我后面会简单介绍一下。

这种设备对于电机驱动非常重要，也可以帮助我们进一步解决这个挑战。在这张幻灯片上，我们希望更多地关注散热挑战，尤其是嵌入功率电子器件，并将其进一步集成到集成式电机驱动器中。我们的热管理挑战是什么，如何解决它们？希望通过我的演讲，能进一步激发大家相信这个前景，拥抱这个技术趋势。

热管理的挑战首先是材料的热性能，然后是功率电子器件。对于电机，温度容差至少应为180℃，在一些高性能应用中，为200℃。但其他电力电子器件的耐温性一般在125℃的水平，所以存在50℃以上的温差。对于IMD系统架构，将所有组件集成在一起将面临传热的挑战。很多年来，我们一直被问到这个问题，这种电力电子器件和电机如何集成，我想和大家分享一下解决温度极限的做法。

首先，我们必须挑战标准的思维模式。目前，电压源型VSI逆变器技术广泛应用于电机逆变器，还有一种电流源型CSI解决方案很少使用。我们为什么对VSI和CSI感兴趣？因为它们可以帮助我们解决未来的热挑战，因为它们有很多非常吸引人的特性。基于宽带隙半导体的电流源逆变器CSI技术将成为未来集成电力驱动系统的关键技术。它的主要优点之一是它在高温下的性能。从系统拓扑来看，VSI需要使用电解电容和薄膜电容，但是电解电容的耐温性是105℃，薄膜电容是……5℃，这限制了VSI拓扑逆变器的热环境。在CSI拓扑中，感性器件的耐温性可以达到200℃，陶瓷电容的耐温性可以达到150℃。从整个系统的热管理的角度来看，CSI逆变器和电容器在高温下可以具有相同的热特性。我们也验证了这个项目。如果一年前你参加了今天的会议，你可能还记得这个项目。我想回顾一下当时这个项目的研究成果和进展。该项目是由美国能源部资助的尖端研究项目APER-E。在这个研究项目中，我们将高性能WBG和CSI相结合，进一步集成电气驱动系统。这是一个为期三年的项目。主要进步是功率密度的进步和变化。我们使整个项目更具挑战性。嵌入式不仅有逆变器，还有其他一些嵌入式器件。它有三个功能，可以向逆变器和电容器传输功率。同时也可以很好的应用在交流电网和交流负载中，支持电动汽车制动能量的回收。然而，仍然存在许多挑战。我们采用了双有源桥结构来提高功率密度。

正如你所看到的，这是一个3kW的电力驱动系统原型。电力电子逆变器嵌入电机室内。逆变器包含三层PCB，散热风扇功率3W。还有一个命题，就是我们证明了通过附加铝层结构可以实现系统集成。这张幻灯片显示了逆变器的电压和电流波形。左手边的波形是设备端运行的波形，看起来很理想，第三年效率98%。我们也看到这个图表中显示的功率密度和其他性能指标对于电动汽车的应用是非常高效的，比我们预定的目标高出一倍。三年项目结束后，我们可以获得一些其他资金。我和整个团队决定用这些额外的资金进一步扩大研究，也就是下一代CSI-IMD，重点解决热火的挑战。我们在同一个电驱动系统的腔体下部安装了电力电子设备，还增加了空气冷却系统。在右边，显示了他的一个系统集成方案。我们可以看到所有的供电器件都焊接在PCB电源板上，用压环安装在端室的铝壳上，用热接口材料进行电气隔离，控制器集成在CSI传感器板上，减少了PCB的数量。我其实很担心我能不能完成这个工作，但是我的学生确实把整个控制器直接安装在同一块平板上，这也防止了一些EMI问题。其实这个项目难度很大，因为要实现制冷有太多的细节在里面，但是当时我们用了一种压力和温度同时测试的方式，这是一个很直接的思路。其实我们在采用一些技术的时候没有别的选择，除了直接提取热量，包括把热量全部提取到整个电机外壳，我们就是这么做的。我们设计了两种冷却通道，并比较了五种不同冷却方案的冷却效果。TENV是全封闭式方案，没有散热结构，3kW功率下110℃的温升仍然在温度极限内，是所有方案中最差的情况，并且在测试中发现小于120度，也就是离其极限值有50度左右的空间，可以说是我们可以达到的优势。但是，我们实际上是严格做实验的，只是你在行驶过程中实际上有一个外部气流，可以自动降温。但是，我们在做实验时想避开这个环节，纯粹考虑所有的热传导，看看在一个封闭的空间里，我们能承受多少热的挑战。所以我们很高兴也很自豪，即使没有外部冷却系统，我们现在做的也是一个极端的实验，可以说是意料之外。在另外两个性能最好的方案中，他主动吸收外界空气，利用外界空气散热，温升小于80℃。

这张幻灯片实际上是向你解释一些关键电力电子器件的最高工作温度。在测试过程中，我们还选择了几个关键设备来观察TENV和TESFC配置下的额定运行条件，并使用热电偶来监控已识别组件的外壳/外表面温度。T……y也会发热，所以结论是，即使在参数非常相近的情况下，做功时这些部分的温度其实是非常均衡的。你可以看看我们的对比数据。目前变频器在全封闭设计方案下可以满负荷运行，所有器件都在温度限制范围内。

我们还需要做什么？首先，在寒冷环境下需要更多的研究，特别是在整个运行寿命中，温度循环的耐久性更重要，特别是在深度集成的电机驱动系统中，我们需要保证温度循环，这是我们现在面临的一个非常重要的挑战。除了温度，还有抗震性的挑战。

最后得出结论，WBG开关的CSI为IMD的未来提供了很大的希望，包括提高高温性能。CSI-IMDs的几个一体化设计方案的温升测试表明，即使是全封闭不通风(TENV)也能满足器件温度极限！我们需要做更多的工作来解决其他环境挑战，包括温度循环耐久性和振动。

我们也希望您能参与后续的研究工作。我们在威斯康星州和全球其他研究中心取得了进展，这进一步表明未来深度集成电驱动系统的潜力和前景更加光明。

感谢您的关注。

(注:本文根据现场速记整理，未经发言人审核。)由中国科学技术协会、北京市人民政府、海南省人民政府、科技部、工业和信息化部、生态环境部、住房和城乡建设部、交通运输部、国家市场监督管理总局、国家能源局联合主办的第四届世界新能源汽车大会(WNEVC 2022)于8月26日至28日在北京和海南线上线下举办。其中，北京会场位于北京经济技术开发区艺创国际会展中心。

会议由中国汽车工程学会等单位主办，将以“碳中和愿景下的全电动化与全球合作”为主题，邀请全球政产学研各界代表共同探讨。大会将包括20多场会议，13，000平方米的技术展览和许多同期活动。200多位政府高级领导人、海外机构官员、全球商界领袖、学者和行业专家将出席会议并发表演讲。

其中，美国工程院院士、威斯康星大学麦迪逊分校WEMPEC主任Thomas M. JAHNS在8月28日上午举行的“新能源汽车电驱动技术创新”技术研讨会上发表了专题演讲。

要点:

1.采用宽带隙半导体WBG开关的电流源逆变器CSI为未来深度集成的电驱动系统IMD提供了极大的希望；2.CSI-IMDs多种集成设计方案的温升测试表明，即使是全封闭不通风(TENV)设计方案也能满足器件温度极限。

3.我们需要做更多的工作来解决其他环境挑战，包括温度循环耐久性和振动。

以下为现场演讲:

大家早上好。很荣幸有机会和大家分享我们的研究成果和观点，可惜因为疫情原因不能亲自出席，只能在网上和大家分享。我今天很喜欢这个题目，讲的是电力电子及其在电机驱动实践中面临的挑战。

首先，我给大家简单介绍一下威斯康星大学麦迪逊分校。我们在美国中北部，靠近芝加哥，周围环境很美。学校约有5万名学生，大部分从事工程相关的研究。我在电子计算机学院，也从事电机相关的研究。事实上，我们与业界和学术界有着长期的合作。可以说，我们与业界的沟通与合作是非常漫长的。去年，我们庆祝了创新与合作40周年。这是我们团队的合影。今天，我也代表我所有的同事和大家问好。也希望有一天大家能来麦迪逊和我们面对面交流。

今天我和大家分享一个集成电驱动领域的革命性进展，或者说是一次进化。目前碳化硅的应用速度快十倍左右，可以实现更高的功率密度，更适合高电压场景下的应用。其实碳化硅本身的演变就代表了电驱动行业的创新。另一方面，传统的电力驱动系统是分离的，电机和控制器是分开的，由传统的电缆和电线控制。现在我们要做的就是整合所有分散的盒子。但我们不是简单的肉体结合，而是真正的融合，未来我们会接受这种长期的改变。

而宽带隙半导体有机会让我们实现这样的愿景。它的潜在优势是什么？首先，由于共同的外壳和热管理系统，功率密度的提升非常明显。其次，对于大规模制造，其制造优势明显。三是高带宽、容错的模块化架构。但是仍然有许多挑战。今天，我想向你们介绍这些挑战。当把电子动力集成到电驱动器中时，整个环境实际上是非常复杂的。这方面我后面会简单介绍一下。

这种设备对于电机驱动非常重要，也可以帮助我们进一步解决这个挑战。在这张幻灯片上，我们希望更多地关注散热挑战，尤其是嵌入功率电子器件，并将其进一步集成到集成式电机驱动器中。我们的热管理挑战是什么，如何解决它们？希望通过我的演讲，能进一步激发大家相信这个前景，拥抱这个技术趋势。

热管理的挑战首先是材料的热性能，然后是功率电子器件。对于电机，温度容差至少应为180℃，在一些高性能应用中，为200℃。但其他电力电子器件的耐温性一般在125℃的水平，所以存在50℃以上的温差。对于IMD系统架构，将所有组件集成在一起将面临传热的挑战。很多年来，我们一直被问到这个问题，这种电力电子器件和电机如何集成，我想和大家分享一下解决温度极限的做法。

首先，我们必须挑战标准的思维模式。目前，电压源型VSI逆变器技术广泛应用于电机逆变器，还有一种电流源型CSI解决方案很少使用。我们为什么对VSI和CSI感兴趣？因为它们可以帮助我们解决未来的热挑战，因为它们有很多非常吸引人的特性。基于宽带隙半导体的电流源逆变器CSI技术将成为未来集成电力驱动系统的关键技术。它的主要优点之一是它在高温下的性能。从系统拓扑来看，VSI需要使用电解电容和薄膜电容，但是电解电容的耐温性是105℃，薄膜电容是……5℃，这限制了VSI拓扑逆变器的热环境。在CSI拓扑中，感性器件的耐温性可以达到200℃，陶瓷电容的耐温性可以达到150℃。从整个系统的热管理的角度来看，CSI逆变器和电容器在高温下可以具有相同的热特性。我们也验证了这个项目。如果一年前你参加了今天的会议，你可能还记得这个项目。我想回顾一下当时这个项目的研究成果和进展。该项目是由美国能源部资助的尖端研究项目APER-E。在这个研究项目中，我们将高性能WBG和CSI相结合，进一步集成电气驱动系统。这是一个为期三年的项目。主要进步是功率密度的进步和变化。我们使整个项目更具挑战性。嵌入式不仅有逆变器，还有其他一些嵌入式器件。它有三个功能，可以向逆变器和电容器传输功率。同时也可以很好的应用在交流电网和交流负载中，支持电动汽车制动能量的回收。然而，仍然存在许多挑战。我们采用了双有源桥结构来提高功率密度。

正如你所看到的，这是一个3kW的电力驱动系统原型。电力电子逆变器嵌入电机室内。逆变器包含三层PCB，散热风扇功率3W。还有一个命题，就是我们证明了通过附加铝层结构可以实现系统集成。这张幻灯片显示了逆变器的电压和电流波形。左手边的波形是设备端运行的波形，看起来很理想，第三年效率98%。我们也看到这个图表中显示的功率密度和其他性能指标对于电动汽车的应用是非常高效的，比我们预定的目标高出一倍。三年项目结束后，我们可以获得一些其他资金。我和整个团队决定用这些额外的资金进一步扩大研究，也就是下一代CSI-IMD，重点解决热火的挑战。我们在同一个电驱动系统的腔体下部安装了电力电子设备，还增加了空气冷却系统。在右边，显示了他的一个系统集成方案。我们可以看到所有的供电器件都焊接在PCB电源板上，用压环安装在端室的铝壳上，用热接口材料进行电气隔离，控制器集成在CSI传感器板上，减少了PCB的数量。我其实很担心我能不能完成这个工作，但是我的学生确实把整个控制器直接安装在同一块平板上，这也防止了一些EMI问题。其实这个项目难度很大，因为要实现制冷有太多的细节在里面，但是当时我们用了一种压力和温度同时测试的方式，这是一个很直接的思路。其实我们在采用一些技术的时候没有别的选择，除了直接提取热量，包括把热量全部提取到整个电机外壳，我们就是这么做的。我们设计了两种冷却通道，并比较了五种不同冷却方案的冷却效果。TENV是全封闭式方案，没有散热结构，3kW功率下110℃的温升仍然在温度极限内，是所有方案中最差的情况，并且在测试中发现小于120度，也就是离其极限值有50度左右的空间，可以说是我们可以达到的优势。但是，我们实际上是严格做实验的，只是你在行驶过程中实际上有一个外部气流，可以自动降温。但是，我们在做实验时想避开这个环节，纯粹考虑所有的热传导，看看在一个封闭的空间里，我们能承受多少热的挑战。所以我们很高兴也很自豪，即使没有外部冷却系统，我们现在做的也是一个极端的实验，可以说是意料之外。在另外两个性能最好的方案中，他主动吸收外界空气，利用外界空气散热，温升小于80℃。

这张幻灯片实际上是向你解释一些关键电力电子器件的最高工作温度。在测试过程中，我们还选择了几个关键设备来观察TENV和TESFC配置下的额定运行条件，并使用热电偶来监控已识别组件的外壳/外表面温度。T……y也会发热，所以结论是，即使在参数非常相近的情况下，做功时这些部分的温度其实是非常均衡的。你可以看看我们的对比数据。目前变频器在全封闭设计方案下可以满负荷运行，所有器件都在温度限制范围内。

我们还需要做什么？首先，在寒冷环境下需要更多的研究，特别是在整个运行寿命中，温度循环的耐久性更重要，特别是在深度集成的电机驱动系统中，我们需要保证温度循环，这是我们现在面临的一个非常重要的挑战。除了温度，还有抗震性的挑战。

最后得出结论，WBG开关的CSI为IMD的未来提供了很大的希望，包括提高高温性能。CSI-IMDs的几个一体化设计方案的温升测试表明，即使是全封闭不通风(TENV)也能满足器件温度极限！我们需要做更多的工作来解决其他环境挑战，包括温度循环耐久性和振动。

我们也希望您能参与后续的研究工作。我们在威斯康星州和全球其他研究中心取得了进展，这进一步表明未来深度集成电驱动系统的潜力和前景更加光明。

感谢您的关注。

(注:本文根据现场速记整理，未经发言人审核。)

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