淺析新能源汽車中電機驅動
我國地大物博，但是人均資源較匱乏、石化能源大量依賴進口、單位 GDP 能耗高，因此發展高效率的、基于電驅動技術的新能源汽車對我國能源安全具有重要的戰略意義。同時，我國車用內燃機技術和西方發達國家一線廠商仍存在較大的差距，在未來 10 年內將難以實現趕超。考慮到我國當前電驅動技術和西方發達國家整體差距不大，因而大力發展基于電驅動技術的新能源汽車將是我國車企趕超西方一線車企、實現彎道超車的重要機遇。未來的 5 至 10 年，新能源汽車將進入黃金發展期，我國作為世界上最大的汽車市場，將面臨新一輪產業界洗牌。
對新能源汽車而言，電池技術、電機技術、電機控制器技術被稱為新能源汽車關鍵三電技術。在當前電池技術未能取得突破的前提下，提高電機驅動系統的效率、功率密度、安全性與可靠性成為新能源汽車電機驅動系統的主要研究方向，也是我國政府和企業進行政策制定和未來發展規劃的重點對象。
二、驅動控制器關鍵技術
電機驅動控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉換單元，是電機驅動及控制系統的核心。其中高性能功率半導體器件、智能門極驅動技術以及器件級集成設計方法的應用，將有助于實現高功率密度、低損耗、高效率電機控制器設計;同時，高性能、高可靠電機控制器產品，還要求具有高標準電磁兼容性(EMC)、功能安全和可靠性設計。
(一)功率半導體器件技術
電機控制器的發展以功率半導體器件為主線，正從硅基絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、傳統單面冷卻封裝技術，向寬禁帶半導體(如 SiC、GaN 等)、定制化模塊封裝、雙面冷卻集成等方向發展。同時，得益于成熟的技術迭代，以及相比于寬禁帶半導體器件更低的成本，硅基 IGBT 仍然是當前與未來較長時間內電機控制器產品的主要選擇。
在硅基 IGBT 芯片技術上，英飛凌科技公司針對新能源汽車市場高功率密度需求，已研發出 EDT2芯片技術，實現了 750V/270A IGBT 芯片量產，富士集團等日本廠商也都相繼研發出了高功率密度 IGBT芯片技術，并已批量應用于汽車 IGBT 模塊產品。此外，與硅基器件(如 IGBT、MOSFET 等)相比，SiC 器件屬于第三代半導體材料功率器件，具有高熱導率、耐高溫、禁帶寬度大、擊穿場強高、飽和電子漂移速率大等優勢，結溫耐受可以達到 225 ℃甚至更高，遠高于當前硅基 IGBT 175 ℃的最高應用結溫。SiC 器件開關速度更快，可應用于更高的開關頻率，更適用于高速電機的控制。同時，相比硅基 IGBT，SiC 器件的開關損耗和導通損耗均大幅降低，有助于降低整車百千米耗電量，提升整車續航里程 。但是當前 SiC 器件成本仍遠高于硅基IGBT，這成為阻礙 SiC 器件推廣的重要因素。
同時，銅線鍵合、芯片倒裝、銀燒結、瞬態液相焊接等新型封裝技術可以提高 IGBT 功率模塊的載流密度與壽命，因此也成為當前的研究熱點。目前，電裝、德爾福、英飛凌、株洲中車時代電氣股份有限公司等已研制出基于雙面冷卻的 IGBT 模塊與電機控制器產品，部分已隨整車產品獲得批量應用。基于硅基 IGBT 的電機控制器設計在未來相當長一段時間內仍將為市場的主流選擇，硅基 IGBT器件芯片與功率模塊封裝技術將在不斷的優化迭代中獲得提升。
(二)智能門極驅動技術
門極驅動技術是電機控制器中高壓功率半導體器件和低壓控制電路的紐帶，是驅動功率半導體器件的關鍵。IGBT 門極驅動除具有基本的隔離、驅動和保護功能外，還需結合 IGBT 自身特性，精確地控制開通和關斷過程，使 IGBT 在損耗和電磁干擾(EMI)之間取得最佳的折衷 。
智能門極驅動的兩大主要特點分別為：主動門極控制和監控診斷功能。主動門極控制是根據工作運行環境和工況，對 IGBT 開關過程進行主動精細化最優控制的一種方法。主動門極控制技術是當前 IGBT應用領域的研究熱點，其基本思路是把 IGBT 開通過程和關斷過程分別劃分為幾個不同的階段，針對某一問題只需對相應的階段進行獨立的門極調控，對其他參數產生很小的(甚至不產生)負面影響 。
綜上所述，智能門極驅動的應用，將有助于充分發揮功率半導體器件性能，如降低損耗、提升電壓利用率等，并實現功率半導體器件的健康狀態在線評估，滿足電機控制器高安全性、高可靠性設計的目標。
(三)功率組件的集成設計
國際上典型的電機控制器產品為適應新能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數的功率半導體模塊封裝均為定向設計 ，功率半導體器件與其他電子部件之間的界限日趨融合，基于器件的集成設計已成為新能源汽車電機控制器發展的新趨勢。
器件級集成設計技術主要分為物理集成與需求集成設計。物理集成設計是通過研究電機各個器件之間物理結構的集成設計方法，實現寄生參數、散熱、機械強度等的平衡優化，實現機、電、熱、磁等的最優設計，最終達到電機控制器高功率密度、高可靠性的設計目標。需求集成設計技術是指將整車和電驅動系統需求向前延伸至 IGBT 芯片設計、功率模塊封裝領域，根據整車設計與性能需求，建立以整車需求為導向，由系統向核心零部件自上而下的優化設計方法。其所帶來的優勢將是整車續航里程的增加或電池容量需求的降低。
(四)其他關鍵技術
除上文所述三大關鍵技術以外，還有下述幾個關鍵技術需要在未來的新能源汽車產業引起重視。
(1)EMC 與可靠性設計也是實現新能源汽車電機控制器產業化的關鍵技術。EMC 與可靠性設計是評價電力電子產品的關鍵指標。進行更有效的EMC 設計是業內一直在追尋的目標。其中，基于有限元分析的方法建立“元件 – 部件 – 控制器”的EMC 高頻仿真模型，研究失效機理，并結合試驗驗證，最終實現電磁兼容的正向設計，將逐漸成為主流的技術路線。
(2)汽車功能安全設計可以消除或顯著降低由電子與電氣系統的功能異常而引起的各類整車安全風險。當前電機控制器功能安全需求多為 ASIL C等級，但在未來，電機控制器功能安全需求或將提升為 ASIL D 級，這需要復雜度更高、冗余性更強、可靠性指標更高的電機控制器產品設計 。
(3)電機控制器產品的可靠性設計。電機控制器作為新能源汽車的核心驅動單元，其可靠性指標直接影響著整車的駕乘體驗與市場口碑。德國和美國汽車電子廠商聯合提出了魯棒性驗證(RV)方法 ，該方法已經被英飛凌科技公司、博世集團廣泛應用于半導體分立器件的可靠性設計分析，對于諸如電機控制器等的復雜系統，其適用性與有效性還在進一步探索中