寧圃奇，鄭 丹，康玉慧，陳永勝，崔 健，張 棟，李 曄，范 濤

（1.中國科學院電工研究所，北京 100190；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 100049）

1 引言

隨著環(huán)境保護和能源需求的增大，電動汽車（Electric Vehicle，EV）成為保障國家能源安全和轉型低碳經濟的重要途徑，我國制定了一系列規(guī)劃，近年來電動汽車已實現(xiàn)大規(guī)模量產，繼續(xù)提高產品性能并降低產品價格、增強電動汽車的競爭力是必然發(fā)展方向。電池、電機、電機驅動是新能源汽車的三大核心部件?，F(xiàn)有車用電機驅動使用硅基絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）器件，是電機驅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，獲得了巨大的進步。然而經過三十多年的技術開發(fā)，Si器件已接近理論極限，在短時間內大幅改進其特性非常困難。

碳化硅（SiC）器件損耗小、耐高溫并能高頻運行，被公認為將推動新能源汽車領域產生重大技術變革。世界各工業(yè)強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電機驅動已裝車運行，顯示了巨大的技術優(yōu)勢和市場潛力，對我國新能源車產業(yè)開始了新一輪的沖擊[1]。

在電機驅動方面，我國已自主開發(fā)了系列化產品，但與國際先進車用電機驅動相比，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)設計角度，現(xiàn)有方法多以工程人員的經驗為主，缺乏理論支撐，難以充分發(fā)揮SiC器件的優(yōu)異特性。

目前國內電機驅動設計受制于功率模塊的標準化封裝，系統(tǒng)集成多停留在幾何布局層面。國外機構已開展變頻器系統(tǒng)指導下的元件和組件定制化開發(fā)，包括多功能母排在內的元件復用正在興起。近年來在與功率模塊關系最緊密的元件中，對于驅動電路、母線電容與母排的研究最多。但對這些元件集成設計的研究中，目標與參數(shù)之間的關系較為模糊，約束條件多不清晰，集成過程多基于機械設計人員的經驗，難以兼顧電磁特性和散熱細節(jié)，組件難以進行集成匹配設計，限制了SiC器件的性能。

隨著多物理場分析工具實用化，各元件的幾何關系、機械應力、電氣應力和熱應力可準確分析、定量計算。目前針對元件個體設計的研究較多，聯(lián)系最緊密的功率模塊、驅動電路、母線電容和集成母排等主要部件的設計方法逐漸明晰。各團隊為發(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-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）在車用電機驅動系統(tǒng)中的應用，首先從器件出發(fā)總結了SiC芯片設計和模塊封裝的關鍵技術和發(fā)展趨勢，歸納了SiC功率模塊在測試方法、測試標準中存在的新問題；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、控制和驅動電路、電磁兼容等幾個方面梳理了SiC器件應用面臨的技術挑戰(zhàn)和可行的解決方案，并介紹了相關的研究熱點和未來的發(fā)展方向；最后從系統(tǒng)應用的角度總結了新一代高性能SiC車用電機驅動系統(tǒng)的集成設計和優(yōu)化方法。

2 SiC功率模塊設計與開發(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)境以保護器件。封裝質量不僅直接影響著功率器件本身的電氣、機械和熱性能，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車用電機驅動充分發(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，設計并開發(fā)能滿足高溫、高頻需求的可靠封裝是近期的研究熱點。

2.1 高溫封裝材料

除耐高溫外，襯底、互連層等封裝結構需要選擇與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鍵要素。

傳統(tǒng)焊料合金如Sn63%Pb37%、SAC305等熔點大部分低于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域的發(fā)展需求。納米金屬焊膏燒結技術和瞬時液相擴散焊技術等是目前研究較多的互連材料和技術。

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實現(xiàn)互連。為防止微納尺寸顆粒在未燒結時發(fā)生團聚現(xiàn)象，需要在其中添加有機成分。這些有機成分在燒結時一部分揮發(fā)，另一部分與氧氣反應，互連層幾乎是純金屬。

當前大多數(shù)廣商采用微米級銀顆粒實現(xiàn)這一目標，可在250℃左右實現(xiàn)燒結，使用溫度可超過500℃。所形成互連層中的微孔結構可充分吸收熱應力，可靠性大幅提高。但燒結過程中需要施加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，可實現(xiàn)無壓低溫燒結過程，許用溫度超過600℃，滿足SiC基芯片高溫、高可靠性的需求[2]，但需要較復雜的工藝參數(shù)優(yōu)化。

瞬時液相擴散焊技術利用將低熔點金屬（如錫等）與兩側高熔點金屬（如銅、鎳等）形成三明治結構，高溫下低熔點金屬熔化與高熔點金屬發(fā)生固液擴散，形成完全界面金屬間化合物的焊接互連。這種技術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 封裝形式與結構

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構，芯片的頂部采用引線鍵合連接到DBC圖案或信號端子上。模塊內部還需要填充硅凝膠等封裝材料，外加塑料外殼保護，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構，芯片上下表面通過焊接或燒結的方式互連到銅導片或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。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]

平面型封裝結構、銀焊膏燒結、雙面散熱的充分結合是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，在開關頻率為20 kHz、電流為90 A時，芯片的熱流密度達到235 W/cm2，遠大于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有數(shù)十至數(shù)百條細微流道，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，對于電動汽車應用，需要進一步研發(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。熱管運行時，蒸發(fā)段吸收功率模塊產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作用返回蒸發(fā)段。這種冷卻方式具有極高的導熱率(是銅的500～1000倍)，熱響應速度快、體積小、重量輕，不需外加電源[7]。對于電動汽車應用，需要進一步研發(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。

電半導體制冷器件基于熱電偶的逆現(xiàn)象，當兩塊不同金屬連接時接通電流，一端溫度降低另一端升高，若用N型半導體和P型半導體代替金屬，溫差效應更加明顯?，F(xiàn)有半導體制冷器是由多對熱電元件經并聯(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，對于電動汽車應用需要從系統(tǒng)出發(fā)優(yōu)化設計。

液態(tài)金屬具有遠高于水或乙二醇的熱導率（50～700倍），因此液態(tài)金屬相對于傳統(tǒng)水冷來說可實現(xiàn)更加高效的散熱。液態(tài)金屬需要電磁泵來驅動，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]。電動汽車應用中需要進一步增強電磁泵的性能，保證其高效穩(wěn)定運行。

2.4 封裝設計方法

與同用于車用電機控制器的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個芯片，模塊復雜度大幅增加，雜散電感將導致器件應力增大、開關震蕩和電磁兼容問題，進而影響電機控制器的性能。SiC高頻開關時，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剛剛起步，浙江大學對常規(guī)硅基模塊進行了研究，考慮了續(xù)流回路在模塊中的作用[10]，西安交通大學對硅基高頻模塊進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計法，能對比的布局方案數(shù)量有限，效率較低，對于具有新型拓撲和新型封裝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際情況。數(shù)字編碼包括兩個環(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構，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[12]采用有限元方法計算電氣性能，計算時間過長且不穩(wěn)定，優(yōu)化中需要手工修改模型。文獻[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合的方法估算雜散參數(shù)，并保持了很高的準確性。浙江大學陳敏教授在文獻[10]中提出了基于續(xù)流回路采用續(xù)流面積進行評估的方法，大大提高了運算速度。

在熱性能評估方面，傳統(tǒng)方法為有限元方法，準確性較高但時間過長。文獻[19]利用解析公式與有限差分相結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[13]采用三維熱阻網絡的方法估算芯片的結溫，但準確性相對較低。

在優(yōu)化算法方面，部分學者采用遺傳算法[13]，可實現(xiàn)布局空間的充分搜索，突破試湊法的設計局限。文獻[20]嘗試采用進化型算法，在交叉變異操作之外增加了個體在代間的進化，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用環(huán)境對封裝材料的各種性能都會產生較大的影響，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缺陷、襯底殘留應力加劇和灌封材料揮發(fā)，導致模塊失效。這些問題的發(fā)現(xiàn)有賴于對功率模塊的準確測試，它也是系統(tǒng)損耗計算、壽命預測、健康管理的基礎。

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、帶寬及延時對結果準確性影響明顯、電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）及安全保護問題嚴重。

驅動及測試電路中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，更嚴重的情況下會直接導致器件故障或損壞。開關測試時，常用的高帶寬電流監(jiān)測設備（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器件開關速度高，為準確采集開關波形的上升沿、下降沿，準確測量器件的開通關斷等時間參數(shù)，需要測試設備有較高的帶寬。同時，由于測試通道存在延時，電壓通道與電流通道的通道延時不同，導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)計算開關能量損耗時會產生較大誤差。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進行精確校準和補償，提高損耗計算精度。

SiC器件高壓大電流回路在開通關斷過程中產生高次諧波電流/電壓（150 kHz及以上），通過導電體傳導和空間輻射途徑干擾驅動電路及測量電路等弱電電路，容易導致驅動控制失效、測量波形失真、高頻震蕩等問題，使得器件安全性降低，導致被測器件失效，甚至對設備自身安全造成影響。

針對SiC器件的動態(tài)特性測試，仍需解決低感設計、探頭補償、通道校準、電磁干擾噪聲抑制、設備及人身安全防護等關鍵測試技術，原有Si器件的動態(tài)測試設備在進行SiC動態(tài)測試時仍存在較大不足，測試精度不高。

3.2 SiC可靠性測試方法

功率芯片結溫的精準提取與檢測是系統(tǒng)損耗計算、壽命預測、健康管理的基礎。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變增加至少40%。同時，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力在SiC器件中高得多，導致在熱機械應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)試驗來進行考核，準確的結溫測量是評估功率循環(huán)測試結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)來進行間接測量。通過事先標定熱敏感電參數(shù)與溫度的關系，即可以通過測量熱敏感電參數(shù)的方法來反算器件結溫。對于Si IGBT來說，其小電流下的導通電壓VCE與溫度呈非常好的線性關系，且通過小電流下的導通電壓VCE反算得到的結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，會導致閾值電壓和導通電壓發(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器件的結溫存在較大誤差。對于SiC MOSFET廣泛認可的方法是利用體二極管PN結的電壓VSD作為TSEP來測量SiC MOSFET在功率循環(huán)期間的結溫，由于任何溝道電流都會改變電壓的溫度特性，因此，需要通過施加負柵極電壓（不大于-6 V）的方法來完全關閉溝道，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生功率循環(huán)測試期間的大功率損耗，使器件產生溫升；同時切斷正向大電流后在足夠的負柵極電壓條件下（不大于-6 V）應用反向低測量電流測量SiC MOSFET體二極管PN結的壓降來檢測功率循環(huán)過程中的結溫。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相關的，體二極管的導通損耗會隨著溫度的升高而降低，這種作用部分補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，更符合器件的實際應用狀況。文獻[23]中的試驗結果顯示，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驅動控制器總體積的約35%、總質量的約25%。當功率模塊從Si IGBT升級到SiC MOSFET時，其體積已大幅縮小，更加凸顯了電容器對電機驅動控制器功率密度提升的阻礙[24]。同時SiC器件的開關速度快，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，絕緣介質介電系數(shù)減小會降低電容量，并使損耗增大。目前，車用電機驅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。

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算，尤其要面向高溫、高頻環(huán)境。文獻[25]介紹了電容熱計算的概念、理論依據(jù)和檢驗方法。文獻[26]進行了損耗模型簡化。文獻[27]主要分析電容等效串聯(lián)電阻，并指出膜電容的熱傳導路徑和電流路徑不同。文獻[28]研究了電容溫度在交流頻率條件下的影響因素。

當前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，導致電容器的體積偏大。目前關于膜電容主要集中于對電容整體及電容芯子單體進行計算，需要進一步根據(jù)電機驅動的性能要求進行設計。文獻[29]分析了電容器設計的關鍵參數(shù)，通過電容機理和電路拓撲分析，獲得了參數(shù)設計需求。

文獻[24]提出在母線電容內部采用多芯子并聯(lián)結構，并設計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出。文獻[29]通過鋁制殼體和集成散熱器（見圖3）降低了電容器內部熱點的溫度。文獻[29]對所提出的方案進行了仿真和實驗，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以雙軸向聚丙烯（Biaxially-Oriented Polypropylene，BOPP）為主，BOPP具有極低的介質損耗（0.02%）和較高的電氣強度（720 MV/m）。但是，BOPP的介電常數(shù)較低（2.25），導致其能量存儲密度不高（3 J/cm3），已經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。但其擊穿場強較BOPP低，且介電損耗較高，導致放電能量密度的提高并不顯著。聚硫脲最高電氣強度可達685 MV/m，相應的能量密度為9.3 J/cm3。該結果相比于BOPP有很大的提升，通過改善加工條件去除雜質和殘余溶劑，可以進一步提高電氣強度和能量密度。聚脲和聚氨酯聚合物膜電容的介質損耗因數(shù)為0.758%～4.290%，但其分子結構中的脂肪結構含量較高，玻璃化轉變溫度（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損耗因數(shù)，然而其分子結構中的長脂肪鏈和醚鍵結構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)境下應用。

多層聚合物膜可有效降低極性聚合物介質損耗，多層聚合物的電氣強度較單個組分有所提高，多層膜技術向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條件下的電導為6×10-13S/m，與PSF的電導（1.5×10-13S/m）接近，遠低于PVDF（10-11S/m）。

目前，聚合物基納米復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晶化程度。

4.3 一體化母排與協(xié)同設計

一體化母排在車用電機驅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)定運行打下基礎。SiC模塊功率端子位置將影響母排設計，也是提高主回路性能和平衡并聯(lián)芯片的基礎。

現(xiàn)有SiC產品模塊多采用標準Si模塊封裝，功率端子位置基于產品系列，較少與母排和電容進行協(xié)同設計。現(xiàn)有研究主要有采用有限元方法針對已有SiC產品模塊進行疊層母排的互連設計，分析多層疊層母排雜散電感高頻段衰減特點，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逆向指導模塊設計，文獻[31]根據(jù)母排需要提出了選擇模塊的要點，但未能指導模塊布局并確定功率端子位置。文獻[32]給出了端子位置排布與母排互連的設計要點，進行了場路耦合仿真，未能實現(xiàn)自動協(xié)同設計。下一步研究熱點是給出明確的排布設計方法。

5 高性能信號檢測

車用電機驅動在應用SiC器件時，電壓、電流的檢測對系統(tǒng)性能也有較大影響。電動汽車運行時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，如果能夠及時發(fā)現(xiàn)并采取一定的保護措施，并不會造成器件失效，電壓、電流和結溫檢測對SiC器件的穩(wěn)定運行尤為重要。

5.1 電壓信號檢測

電機控制器中直流母線電壓決定功率模塊的開關應力，并與母線電容的使用壽命相關，空間矢量調制過程也與直流母線電壓相關。直流母線電壓的檢測將直接影響功率模塊的過壓保護和開關信號的矢量調制過程。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絡將直流母線電壓進行分壓，并縮放到合適的范圍?？s放后的電壓輸入給運算放大器組成的反饋電路，最終通過運算放大器的調理和濾波后輸入給DSP。電阻分壓法電路原理簡單、響應速度快，但高壓電路和低壓電路之間存在耦合，需要外加電路對DSP的輸入進行保護。

線性光耦法通過線性光耦實現(xiàn)高、低壓電路之間的隔離。將直流電壓經過分壓后接入運算放大器，通過運算放大電路進行電壓偏移后，得到一個低幅值單極性電壓信號。這個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、調理后，輸入給ADC電路。線性光耦法對低壓電路具有隔離保護作用，且響應速度快、測量精度高、價格適中。

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，這個電流信號經過合適的電阻轉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，但響應慢、測量精度低、價格高，一般較少采用。

SiC器件導通壓降檢測是近年來的研究熱點，它是檢測短路狀態(tài)、芯片結溫和可靠性的重要前提。正常運行中，SiC器件導通電壓一般只有幾伏，而關斷時需要承受上千伏的耐壓，同時被測器件和其他器件開關過程中的電壓電流變化率高達109量級，噪聲問題非常嚴重。常用的兩種導通壓降監(jiān)測電路如圖4所示[33]，當被測器件（Device Under Test，DUT）處于導通狀態(tài)時，測量電路處于短路狀態(tài)，理想情況下，導通壓降值可以約等于負載電阻R1兩端的壓降；當DUT處于阻斷狀態(tài)時，測量電路可以阻斷直流電壓，從而在保護測量電路的同時提高測量精度。第一種電路對時序要求較高，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通電流值的變化而變化，從而引入誤差。圖5所示為改進的監(jiān)測電路。測量電路與驅動電路共用供電電源，D1用于阻斷直流母線電壓，設置D2用以補償阻斷二極管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、幅度調理和隔離運放后傳送到處理器的AD轉換端口，有效解決了同步、干擾和隔離的問題。

圖4 兩種常用導通壓降監(jiān)測電路[33]

圖5 SiC MOSFET導通飽和壓降監(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、侵擾性和成本等方面，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[34]采用改進的磁阻傳感器測量器件開關電流，盡管帶寬達到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間來避免誤檢，特別是負載短路故障下的消隱時間高達數(shù)微秒，嚴重影響短路保護的快速性。

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[35]。但在實際應用中，存在PCB羅氏線圈建模困難、設計困難的問題，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，也會增大驅動板面積，另外受器件開關影響較大，需要進一步改進。

5.3 結溫在線監(jiān)測

現(xiàn)有國產車功率模塊的溫度監(jiān)測結果與芯片的實際工作結溫有較大差距，保護閾值設定較為困難。為了保證車用電機驅動的可靠運行，現(xiàn)有的設計方法大多采用大裕量、多重冗余的經驗化設計準則，不可避免地存在“大馬拉小車”現(xiàn)象。如果能夠精準提取功率芯片結溫，就能夠降低現(xiàn)有設計方法浪費的視在容量，降低成本，增加車用電機系統(tǒng)在復雜運行工況下安全運行的能力。

功率芯片封裝在模塊內部，不易直接接觸，難以直接觀測，芯片結溫測量頗具挑戰(zhàn)。目前，結溫檢測方法主要可歸納為4類：物理接觸法、光學非接觸法、熱阻抗模型預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集成熱敏電阻或熱電偶等測溫元件，得到的信息是模塊內部基板某處的局部溫度，遠非功率芯片結溫，其誤差較大（可達73%），且響應速度一般在秒級，無法實時反映待測器件的結溫動態(tài)變化[35]。

光學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，遠不能滿足實時監(jiān)測要求。SiC器件在運行時會發(fā)出可見光，浙江大學學者提出采用光敏探頭監(jiān)測結溫。然而電機驅動用SiC模塊內部并聯(lián)芯片較多，封裝內部隔光板的設計、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用[36]。

熱阻抗模型預測法則結合了待測器件、電路拓撲和散熱系統(tǒng)等綜合因素，估算損耗反推芯片結溫及其變化趨勢[37]，該方法被廣泛應用于設計時的散熱系統(tǒng)評估。然而，實時損耗模型和熱阻抗網絡模型的精確建模相當困難，預設熱阻網絡模型會由于老化原因發(fā)生較大偏移，都限制了其應用。

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。這種方法響應快、成本低、可用于在線檢測，成為最具應用潛力的技術。

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通或關斷狀態(tài)下的參數(shù)，例如小電流導通壓降法[38]、大電流導通壓降法[39]、驅動電壓降差比法[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]、內置驅動溫敏電阻法[44]等。

以上電氣熱敏感參數(shù)法都有各自的優(yōu)勢和缺點，可以從靈敏度、精準度、對控制策略的影響、硬件侵入性等角度進行評估。

（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間估算結溫，對于快速開關的工況靈敏度很低（小于1 ns/℃）。小電流導通壓降、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)需要額外設計短路測試環(huán)節(jié)，閾值電壓法需要添加開關瞬間的測量脈沖。

（3）硬件侵入性：小電流導通壓降法需要額外注入小電流，驅動電壓降差比法需要在正常控制之外改變驅動電壓，內置驅動溫敏電阻法需要在驅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驅動系統(tǒng)不穩(wěn)定。

6 系統(tǒng)集成設計

6.1 系統(tǒng)集成設計方法

系統(tǒng)設計開發(fā)階段，通過仿真計算給出電機驅動功率、效率等量化指標，可指導系統(tǒng)性能均衡設計，在提高裝置功率密度的同時增加系統(tǒng)整體的安全裕量。

目前國內電機驅動設計受制于功率模塊的標準化封裝，系統(tǒng)集成多停留在幾何布局層面。國外機構已開展變頻器系統(tǒng)指導下的元件和組件定制化開發(fā)，包括多功能母排在內的元件復用正在興起。近年來在與功率模塊關系最緊密的元件中，對于驅動電路、母線電容與母排的研究最多。但對這些元件集成設計的研究中，目標與參數(shù)之間的關系較為模糊[45]，約束條件多不清晰，集成過程多基于機械設計人員的經驗，難以兼顧電磁特性和散熱細節(jié)，組件難以進行集成匹配設計，限制了SiC器件優(yōu)越性能的充分發(fā)揮。

在車用電機驅動控制器系統(tǒng)熱設計方法中，有學者結合電路計算及溫度場仿真，獲得損耗以及其在空間的分布。有學者研究兩相流等高效散熱技術，優(yōu)化熱傳導、熱對流路徑，降低控制器內各熱源與熱沉之間的等效熱阻，從而降低熱源溫度。也有學者研究隔熱技術在車用電機驅動控制器中的應用，降低熱敏感部件與熱源間的熱耦合，實現(xiàn)控制器內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

隨著電機驅動系統(tǒng)的發(fā)展，以元件個體最優(yōu)為目標的優(yōu)化設計逐漸轉變?yōu)槎鄠€元件最優(yōu)的組合設計。隨著多物理場分析工具的實用化，各元件的幾何關系、機械應力、電氣應力和熱應力可以并行分析、定量計算。目前針對元件個體設計的研究較多，而元件間的協(xié)同和互擾機理難以厘清，尤其是聯(lián)系最緊密的功率模塊、驅動電路、母線電容和疊層母排這4個主要部件的協(xié)同設計方法不明晰，系統(tǒng)集成冗余空間過大。

盡管文獻報道了各種疊層母排降低雜散阻抗、提高傳導換熱的設計[46]，但缺乏具體的多元件集成方法。文獻[47]通過有限元法和電路簡化法，提出了電機驅動中的元件集成準則，文獻[48]提出了散熱和機械結構的設計指導意見。平面型SiC模塊需要上、下兩面散熱，對于疊層母排和驅動板的排布有更強的約束[44]，功率端子和信號端子位置的確定和相關設計亟需協(xié)同。集成設計需要考慮多個元件旋轉、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]。在設計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[49]對電機驅動系統(tǒng)進行了自動集成優(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節(jié)。對于疊層母排和相關元件的集成，需要進一步考慮元件間的互連和約束，改進優(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)應用方面需要特別的設計和優(yōu)化方法。本文以車用電機驅動為主要應用，從芯片設計、封裝、驅動、母線電容匹配、EMI、系統(tǒng)集成等方面分別論述了當前現(xiàn)狀和研究熱點，對多種關鍵參數(shù)和約束條件進行了較為詳細的介紹，對SiC器件在車用電機驅動應用中充分發(fā)揮高頻、高溫特性具有一定的指導意義。