WNEVC2022美国工程院院士ThomasM.JAHNS：电力电子能承

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于8月26—28日在北京和海南以线上线下的方式举行其中，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，以碳中和愿景下的全方位电动化与全球合作为主题，邀请世界各国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多项同期活动200多位政府高层领导，海外机构官员，全球商界领袖，院士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电气与电力电子中心主任托马斯·m·贾恩斯在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.CSI是一种采用宽带隙半导体WBG开关的电流型逆变器，为未来的IMD带来了希望。

2.几个CSI—IMDs集成设计方案的温升测试表明，即使是全封闭不通风的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各种其他环境挑战，包括温度循环耐久性和振动。

以下为现场演讲实录:

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今天很喜欢这个话题它是关于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，我在这里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

今天跟大家分享一个集成电驱动领域的革命性进展，或者说是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体式的，电机和控制器是分开的，它们由传统的电缆和电线控制现在要做的就是把所有零散的盒子整合起来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，因为外壳和热管理系统是共享，所以功率密度增加非常明显其次，对于规模制造具有明显的制造优势三是高带宽，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在将电子动力集成到电动驱动器中时，整个环境实际上非常复杂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，尤其是嵌入式功率电子器件，并将其进一步集成到集成电机驱动器中我们在热量管理方面面临哪些挑战，我们如何解决这些挑战希望我的演讲能进一步鼓励大家相信这个前景，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来说，耐温性至少要达到180℃，一些高性能应用限制在200℃而其他电力电子器件的耐温性一般在125℃，所以存在大于50℃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多年来，我们一直被问及这个问题，如何将这种电力电子设备与电机集成，我想与大家分享解决温度限制实践

首先，我们要挑战一种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，而电流源型CSI解决方案很少使用我们为什么对VSI和CSI感兴趣因为它可以帮助我们解决未来的热挑战，因为它有许多吸引人的功能基于宽禁带半导体的电流源逆变器的电流源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为105℃，薄膜电容的耐温为125℃，限制了VSI拓扑逆变器的热环境在CSI拓扑中，电感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角度来看，CSI逆变器和电容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这个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设备中不仅嵌入了逆变器，还嵌入了其他一些器件它有三个功能，可以向逆变器和电容器传输功率还能很好地应用于交流电网和交流负载，支持电动汽车制动能量的回收可是，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电力驱动系统的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，就是我们证明了系统集成可以通过额外的铝层结构来实现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在设备终端运行的波形看起来很理想，第三年效率98%我们也可以看到，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我的团队决定利用这些额外的资金进一步扩大研究，即下一代CSI—IMD，重点解决热点挑战我们在同一电力驱动系统的空腔下部安装了电力电子设备，并增加了空气冷却系统右手边是他的系统集成方案图我们可以看到所有的功率器件都焊接在PCB电源板上，用压环安装在端室的铝壳上，通过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的数量其实我很担心自己能不能完成这个工作，但是我的学生居然把整个控制器直接安装在了同一块平面板上，这样也防止了一些EMI的问题其实这个项目难度很大，因为里面有太多的细节要实现降温，但是当时我们用了一种压力和温度同时测试的方法，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的机壳上，这就是我们出口DC所做的我们设计了两种冷却通道，比较了五种不同冷却方案的散热效果TENV是一个没有散热的全封闭结构方案3kW功率下110℃的温升仍在温度限值内，是所有方案中最差的在测试中发现小于120度，也就是与其极限值有50度左右的空间可以说这是我们可以实现的优势但实际上，我们让实验更加严格但是，当你实际驾驶时，有外部气流，可以实现自动制冷但是我们在做实验的时候想避开这个环节，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，可以说是出乎我们的意料在另外两个表现最好的方案中，他主动吸收外界空气，利用外界空气散热，温升小于80℃

事实上，这张幻灯片旨在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进行观察在TENV和TESFC配置的额定运行条件下，我们使用热电偶来监控已识别部件的外壳/外表面温度它们也会自己发热，所以结论是，即使在参数非常相近的情况下，做功时这些部件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，我们需要在寒冷环境下做更多的研究，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，我们需要确保温度循环，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，综上所述，WBG开关的CSI为未来的IMD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，即使是完全密闭不通风的器件也能满足温度极限！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。