作为电动汽车的三大核心技术之一，电机驱动系统的发展趋势是高集成度、轻量化、功能安全和低成本，车用电机驱动系统功率密度和效率的提升、成本的降低是亟待突破的难题。受到材料限制，传统硅（Si）基功率器件特性已逼近材料的本征极限，105℃环境温度下Si基变频器的功率密度极限值约23 kW/L，而SiC变频器功率密度的理论极限可达到57 kW/L。作为世界公认能替代Si的下一代半导体材料，SiC具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和漂移速率高、热导率高等优点。在近年电动汽车用电机控制器相关的近6 700件专利中，SiC器件高温、高频应用方面占37.1%。SiC技术及其应用已在世界范围内成为研究热点，各国相关研究已初步显示了SiC的特性优势，但距离SiC技术所对应的理论极限仍有较大距离。

中国科学院电工研究所联合中国科学院微电子研究所、中国电子科技集团公司第五十五研究所以及北京理工大学等14家高校、科研机构和企事业单位组成攻关团队，以高温车用SiC电机驱动控制器为研究对象，重点研究高温/大电流SiC芯片开发、SiC电力电子模块封装和车用SiC电机驱动控制器集成的科学问题和关键技术，研究SiC电力电子模块和车用SiC电机驱动控制器的测试技术、失效机理和寿命预测等评测方法及基础理论问题。该项目获国家重点研发计划支持，自2017年7月立项后，在项目承担单位和参与单位的共同努力下，已取得阶段性成果。

一、高温SiC芯片研究

针对SiC芯片高温电流导通能力退化，大面积芯片电流集中引起的热电强耦合导致的电流降低、损耗增加、性能退化等问题，项目团队开展了高温SiC芯片载流子输运机理与行为规律基础科学问题的研究，优化载流子传输路径，均衡电流/电场分布，利用外延层、有源区、精细化终端结构等综合优化技术，突破高温下SiC芯片电流输运增强技术，成功研制了车用高温、大电流、高可靠1200V/100A SiC SBD器件，并通过了静态、动态等全参数测试及高温反偏（HTRB）、温度循环（TC）、高温高湿偏置（HT3RB）等可靠性摸底试验。试验结果表明，该项目研制的SiC肖特基器件，正向导通压降不超过1.64V@25℃/2.27V@150℃（典型值），反向漏电流小于50μA@1200V，电流密度达到247A/cm²（以芯片面积计算，VF=1.6V），相比Cree公司的第五代同电压等级SiC肖特基器件CPW5-1200-Z050B产品的208A/cm²（以芯片面积计算，V_F=1.6V），在电流密度方面略有优势。该规格SiC肖特基芯片的成功研制，不仅填补了国内在高温大电流密度SiC SBD芯片研制领域的空白，也为后续课题SiC模块开发提供了自主研发核心芯片支持，为整个项目的顺利完成奠定了基础。

二、高温SiC模块研究

针对国内外现有SiC模块产品因沿用Si基器件封装技术和封装材料，无法匹配SiC器件高温、高频、高效特性，难以满足高可靠性运行需求的问题，项目团队开展了高温、高场强下封装系统的多应力耦合机制与调控方法关键科学问题的研究，建立了准确高效的高温封装材料及其失效机理解析模型以及高效评估电气、散热、热应力的SiC模块综合模型，开展了模块电、磁、热、机多目标平衡最优设计，实现封装材料利用率最大化，利用添加烧结助剂、降低烧结应力、优化设计钢网印刷图案、优化贴片工艺等方法，突破低空洞率（低于1%）无压低温烧结（250℃以下）互连工艺，显著提高了SiC芯片的高温服役可靠性。项目团队已成功完成1 200 V/300 A SiC模块两轮迭代开发，所研制的平面型样品模块体积为70×42×10 mm³,比同规格SiC产品模块体积缩小60%，经静态、动态电气参数测试，该模块开通时间90ns，关断时间200ns。作为SiC器件应用的基本单元，SiC模块封装材料和封装技术的突破将为我国抢占电动汽车驱动系统高温高频应用技术制高点奠定基础。

三、车用SiC控制器集成

针对业内SiC控制器高温运行实际功率密度（<10kW/L）远小于理论极限（57kW/L）的现状，项目团队开展了高功率密度控制器集成设计理论研究，辨识高温高频运行条件下阻碍SiC电机控制器功率密度提升的技术瓶颈，将减小电容器体积作为高密度SiC控制器研发的关键。建立了电机及变流器运行工况及性能指标与电容器纹波电流的关联关系模型，研发直接水冷薄膜电容器，现已开发完成首轮原型样件。经测试，纹波电流有效值密度从同类产品典型值0.1～0.18A/L提升为0.23A/L，提升幅度最大为130%。应用该直接水冷电容器，项目团队成功研制基于标准封装SiC MOSFET的变流器原型机，变流器设计最大输出电压有效值为245V，最大输出电流有效值177A，最大输出容量130kVA，体积为2.29L，设计容量密度为56.8kVA/L，大幅提高车用电机控制器的功率密度。该型原型机试验和测试工作的逐步深入开展，将为充分揭示和解决SiC控制器高温、高频应用中的潜在技术难点提供重要支撑，并对车用电机驱动行业高功率密度控制器的研制发挥引领作用。

四、SiC电力电子器件评测方法研究

SiC电机控制器的高可靠运行有赖于SiC器件、模块、控制器运行状态与预期寿命的准确监测和可靠评估。在SiC电力电子器件评测方法研究方面，开展了SiC 模块寿命预测模型及SiC电力电子模块失效分析方法研究。研究SiC MOSFET热敏感电参数，验证了SiC器件体二极管的正向压降与温度的一致性，将SiC器件体二极管正向压降作为热敏感电参数设计了SiC器件变温测试工装，搭建了参数漂移及恢复特性测试系统，并针对典型汽车工况开展了SiC器件寿命预测方法研究。上述研究工作为SiC功率模块可靠性及寿命准确预测打下了基础。基于上述研究工作，结合SiC功率模块可靠性摸底试验，以各项测试和试验数据为支撑，项目团队制定了《电动汽车用第三代半导体电力电子模块评测规范》草案，草案涵盖SiC-MOSFET、SiC-JFET、SiC-SBD、SiC-JBS等SiC基电力电子器件的实验方法、检验规则等，目前该草案已通过内部专家的审核。

五、SiC电机驱动控制器评测方法研究

项目团队结合北京新能源汽车股份有限公司多年来在纯电动乘用车生产及运营过程中的技术积累，初步制定了《SiC电机控制器的车载使用条件》草案，在车载工作环境、基本性能要求、法规符合性、安全性、通讯、振动噪声、电磁兼容等方面进行了规范。向国家标准委员会电动汽车分技术委员会提出了SiC电机控制器标准提案，电机工作组同意将《电动汽车电机控制器技术条件和试验方法》作为行业标准进行立项，SiC电机控制器的技术条件和相应的试验方法将作为该标准的一部分予以体现。

国家重点研发计划项目“高温车用SiC器件及系统的基础理论与评测方法研究”抓住SiC材料及器件发展带来的技术变革机遇，针对新能源汽车重大需求，充分发挥SiC器件高温/高效的优势，提升了车用电机驱动控制器的功率密度、效率和环境适应性。项目将在发展高温电力电子学的基础上，突破SiC芯片电流输运增强技术、SiC平面型双面冷却封装技术和SiC电机驱动控制器高功率密度集成等关键技术，将设计理论、核心工艺、集成技术及模型仿真等方面研究工作有机结合，从科学研究到技术创新形成综合解决方案；构建高温SiC器件及系统的科研和应用平台，将车用SiC电机驱动控制器功率密度提升4倍以上，损耗降低50%，最高环境温度提升到105℃，实现我国高温车用SiC电机驱动控制器零的突破，抢占下一代新能源汽车用电机驱动系统技术制高点；同时，完成高温SiC电力电子模块和系统行业评测规范编制，取得一批前沿性成果，打造一支具有国际水平的创新团队，为SiC技术在新能源汽车领域的广泛应用打下基础。

项目牵头单位简介

中国科学院电工研究所是从事电气工程科学研究的国立研究机构，50多年来取得科研成果500余项，先后获得国家、中国科学院及部级奖励100余项。自“九五”以来，承担并完成了数十项国家、地方的电动汽车相关重要科技攻关任务，在国内率先开展了车用高功率密度电机驱动的基础理论和关键技术开发，主持研发了我国首台电动轿车用数字化交流电机驱动系统、首套燃料电池轻型客车用电-电混合能源动力系统，所研发的高性能永磁电机和驱动系统关键技术应用于2008年北京奥运示范、2010年上海世博会示范、“十城千辆”示范和新能源汽车推广，产生了良好的社会效益和经济效益，累计发表文章400余篇，获得2012年度中国电工技术学会科学技术一等奖。作为中国科学院电力电子和电气传动重点实验室、北京工程实验室以及电动车辆国家工程实验室联合单位，中国科学院电工所已成为国内电动汽车电机驱动技术研究的重要基地，在国内外具有重要影响。

2007 年以来，中国科学院电工所探索电力电子与微电子的学科交叉研究，开展了Si基IGBT模块和SiC功率模块封装技术研究，建立了电力电子器件封装实验室，2011年获批“驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室”，2014年中国科学院电工所“高频场控功率器件及装置产品质量检验中心”获得 CNAS和CMA二合一检测实验室授权。在“十二五”国家863计划课题“下一代驱动电机控制器关键技术”探索中，成功研发出直接冷却SiC混合功率模块、新型间接冷却膜电容组件和下一代高功率密度驱动电机控制器样机，功率密度和效率等部分关键指标已达到同期国际同类产品的先进水平，验收专家组一致认为“课题提升了我国在IGBT模块、逆变器结构、核心器件和工艺等方面的自主开发核心能力”。目前，中国科学院电工所在能源汽车电机驱动研究领域已具备深厚的理论积累和实验条件。

项目负责人简介

温旭辉，中国科学院电工研究所研究员，高功率密度电气驱动及电动汽车技术研究部主任，电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室主任，中国电工技术学会电动车辆专委会主任委员，亚太电动车协会执行委员。主要从事高功率密度永磁电机技术、电力电子集成技术和功率模块封装技术研究。主持“高温车用SiC器件及系统的基础理论与评测方法研究”项目、“02专项”“高压IGBT 模块产品测试与考核公共平台建设”课题、“特种车辆及航行器用高功率密度电推进系统的基础理论和技术研究”等多项国家和部委的科研项目。发表论文100余篇。2012年获得中国电工技术学会科技进步一等奖。