由中國科學技術協會、北京市人民政府、海南省人民政府、科學技術部、工業和信息化部、生態環境部、住房和城鄉建設部、交通運輸部、國家市場監督管理總局、國家能源局聯合主辦的第四屆世界新能源汽車大會（WNEVC 2022）于8月26-28日在北京、海南兩地以線上、線下相結合的方式召開。其中，北京會場位于北京經濟技術開發區的亦創國際會展中心。

大會由中國汽車工程學會等單位承辦，將以“碳中和愿景下的全面電動化與全球合作”為主題，邀請全球各國政產學研界代表展開研討。本次大會將包含20多場會議、13,000平米技術展覽及多場同期活動，200多名政府高層領導、海外機構官員、全球企業領袖、院士及行業專家等出席大會發表演講。

其中，在8月28日上午舉辦的技術研討會“新能源汽車電驅動技術創新”上，美國工程院院士，威斯康星大學麥迪遜分校電機與電力電子中心（WEMPEC）主任Thomas M. JAHNS發表專題演講。

主要觀點：

1、采用寬禁帶半導體WBG開關的電流源逆變器CSI為未來的深度集成電驅動系統IMD提供了巨大的希望；

2、通過CSI-IMDs幾種集成設計方案的溫升測試表明，即使是完全封閉、不通風(TENV)的設計方案也是可以滿足器件溫度限制。

3、我們需要做更多的工作來解決其他各種環境挑戰，包括溫度循環耐久和振動等。

以下內容為現場演講實錄：

各位早上好，我非常榮幸能夠有機會和大家來分享我們研究成果和觀點，但是很遺憾因為疫情原因我不能夠親自出席，只能通過線上的方式和大家分享。今天這個話題我很喜歡，是關于電力電子方面的內容，以及它在電機驅動實踐中面臨的挑戰。

首先我和大家簡單的介紹一下威斯康星大學麥迪遜分校，我們大概在美國的中北部，靠近芝加哥的地方，周圍的環境是非常漂亮的。學校大概有五萬名學生，大部分都是從事工程相關的研究工作，我在電子計算機學院，我也是從事電機相關的研究。其實我們和行業、學界有著長遠的合作，可以說我們和業界的溝通和合作是非常久的。去年我們慶祝了40周年的創新和合作的慶典，這張是我們團隊的合影，我今天也是代表所有的同事和大家來問好。我也希望有一天大家能夠來麥迪遜和我們面對面交流。

今天我和大家分享集成電驅領域的一個革命性的進展，或者說它是一個演進。現在碳化硅應用的速度已經快了十倍左右，能夠實現更高的功率密度，且更適用于高電壓場景下的應用，其實碳化硅本身的演進就代表了現在電驅行業的革新。另一方面，傳統的電驅系統都是分體式，電機和控制器分開，用傳統的電纜和電線連接控制，現在我們要做的就是把所有分散的盒子整合起來。但是我們不是簡單物理組合，而是真正的集成，未來我們會接受這種長遠的變化。

而寬禁帶半導體有機會讓我們實現這樣的遠景，他有哪些潛在的優勢呢？首先由于共用殼體和熱管理系統，功率密度提升是非常明顯。第二針對規模制造其生產制造優勢明顯。第三就是高帶寬和容錯的模塊化架構。但是還很多挑戰，今天我想給大家介紹一下挑戰，在把電子電力整合到電驅動器上，整個環境其實是非常復雜的，稍候我會簡單的做這方面的介紹。

這種設備它對于電機驅動器非常重要，同時也可以幫助我們進一步解決這種挑戰，在這張幻燈片上我們希望能夠更多的關注熱挑戰，特別是和嵌入電力電子，把他進一步整合到集成電機驅動器上，我們有哪些熱管理上的挑戰，并且如何能夠解決這些挑戰，我希望能夠通過我的演講進一步鼓舞大家來相信這方面的前景，并且也能夠擁抱這種技術趨勢。

熱管理挑戰首先是材料熱性能，然后是電力電子器件。對于電機來說耐溫至少做到180℃的溫度限制，有些高性能應用場合是200℃的溫度限制。但是其他電力電子器件的耐溫普遍在125℃的水平，那么這之間就有大于50℃的溫差。對于IMD系統架構，把所有部件整合到一起，就會面臨著傳熱的挑戰。多年來，我們一直被問到這種問題，如何能夠把這種電力電子和電機集成在一起，我想跟大家分享一下解決溫度限制上實踐。

首先就是我們要挑戰一種標準的思維模式。目前我們在電機逆變器中普遍都采用電壓源VSI逆變技術，還有一種電流源CSI解決方案應用較少。我們為什么對VSI和CSI感興趣，因為它可以幫助我們解決未來的熱挑戰，因為它有很多非常吸引人的一些特性，基于寬禁帶半導體的電流源逆變器CSI技術將是針對未來的集成電驅動系統的關鍵技術。它主要的優勢之一就是在高溫的性能。從系統拓撲上看VSI需要使用電解電容和薄膜電容，而電解電容的耐溫在105℃，薄膜電容耐溫在125℃，限制了VSI類型拓撲逆變器的熱環境。而CSI拓撲使用電感類器件耐溫可以達到200℃，陶瓷電容耐溫可以達到150℃，從整個系統熱管理的角度來說，CSI逆變器，還有電容器他們可以在高溫下具有同樣的熱特性。我們在項目上也做了驗證，一年前如果大家參加了今天的會議，大家可能還記得這個項目，我要給大家回顧一下當時這個項目上的研究成果和進展。這個項目是由美國能源部出資來做的一個前沿性的研究項目APER-E，在這個研究項目上我們把高性能的WBG還有CSI結合到一起，來進一步集成電驅動系統。這是為期三年的項目，主要的進步就是功率密度的進展和變化，我們讓整個項目更加有挑戰性，嵌入的不僅僅是逆變器，同時在設備里也有一些其他的嵌入，它具有三種功能，可以把功率傳遞到逆變器、電容器，同時也可以在交流電網和交流負載上有很好的應用，支持電動車制動能量回收，但是現在還是有很多挑戰，我們有使用了雙主動橋結構來實現功率密度的提升。

大家看到這是3kW的電驅動系統原型機，電力電子逆變器是嵌入到電機腔室內，逆變器包含3層PCB，冷卻風扇功率3W。還有另外一個命題，就是我們證明通過額外的鋁層結構可以實現系統集成。這張幻燈片展示的是逆變器的電壓電流波形。左手邊的波形就是在設備終端運行的波形，看起來非常的理想，它的效率在第三年的時候是98%，我們也看到這個圖表所展示的功率密度以及其他的性能指標，對于電動車的應用是非常高效的，這比我們預定的目標提升了一倍。在三年的項目之后，我們可以有機會獲得其他的一些經費，我和整個團隊決定使用這些額外的經費來進一步拓展研究，就是下一代的CSI-IMD，重點解決熱挑戰。我們把電力電子安裝到同樣電驅動系統腔的下部，還加入了空氣冷卻系統。右手邊展示的是他的一個系統集成方案圖，我們看到所有電源器件片均焊接在PCB電源板上，使用壓力環安裝在端室鋁殼上，用熱界面材料(TIM)進行電隔離，控制器集成到CSI傳感器板，減少PCB數量。我自己其實也擔心過究竟是否能夠完成這個工作，但是我的學生他確實把整個控制器直接安裝在同一塊平面板上，也防止了出現EMI的一些問題。其實這個項目做的非常艱難，因為要實現冷卻的話，里面有太多的細節，但是當時我們用的是一個壓力和溫度同時測試的方式，這就是一條很直接的思路。其實有的技術我們在采取的時候沒有別的選擇，除了直接抽取熱量之外，包括把所有的熱量抽取到整個電機的外殼，我們就做的是這樣直流的導出。我們設計了有兩條冷卻通道，采用5種不同的冷去方案對比散熱效果。TENV是采用全封閉無散熱結構的方案，運行到3kW功率下的溫升在110℃仍然在溫度限制范圍內，這是所有方案里最差的情況，在測試中發現也不到120度，也就是和它的極限值有50度左右的空間，可以說這是我們能夠達到的一個優勢。但是我們其實把實驗做嚴格一點，但是你實際在開車過程中是有外部氣流的進入，可以實現自動的降溫，但是我們在做試驗的時候想避開這一環，純粹去考慮到所有的導熱，來看看在一個封閉的空間中究竟能夠承受多少的熱挑戰。所以我們非常高興和自豪，哪怕沒有外部的冷卻系統，現在做的是個極端試驗，可以說是出乎我們意料的。另外兩個表現最好的方案，他從外部主動的吸取空氣，利用外部的空氣去進行散熱，溫升不到80℃。

這張幻燈片其實是想和大家闡述一些關鍵電力電子器件的最高運行溫度，我們在測試時也遴選了幾個關鍵的器件進行觀測，在TENV和TESFC配置下的額定運行工況，使用熱電偶監測被識別部件的外殼/外部表面溫度。他們本身也會發熱，所以結論就是哪怕是非常相似的參數的條件下，在做功的時候這些零部件的溫度其實是非常均衡的，大家可以去看看我們的比較數據，目前逆變器可以在全封閉設計方案下全負荷運行，所有的器件都在溫度限制范圍內。

還有哪些需要我們做的呢。首先是需要對于寒冷環境下進行更多的研究，特別是在整個運行壽命中，溫度循環耐久是更重要的，特別是在深度集成的電機驅動系統上我們需要確保溫度的循環，這是我們現在所面臨的非常重要的一個挑戰。除了溫度之外，還有耐振動挑戰。

最后總結一下采用WBG開關的CSI為未來的IMD提供了巨大的希望，包括改善高溫性能，CSI-IMDs幾種集成設計方案的溫升測試表明，即使是完全封閉、不通風(TENV)也可以滿足器件溫度限制!我們需要做更多的工作來解決其他各種環境挑戰，包括溫度循環耐久和振動等。

我們也希望大家能夠參加后續的研究工作當中，我們在威斯康星還有全球其他的研制中心都取得了進展，也進一步展示未來的深度集成電驅動系統的潛力和前景是更加光明的。

感謝大家的關注。

  （注：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱）

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