美国电驱动系统技术路线详细解析
2020年度报告中更新了石墨烯应用于散热器提高散热性能的技术研究内容，基于Power Module结构设计了一种测试热阻的方法。如下图所示，以DBC和IMSwTPG为基础的样品进行衬底底部的温度测量，可以直接测量SiC MOSFET芯片表面和基板温度之间的温差。
测试对比了DBC和IMSwTPG在稳态散热方面的性能，分析和比较了不同基板下的SiC mosfet的电阻、瞬态热阻抗和电流密度。如下图所示，与DBC相比IMSwTPG 降低了约17%的稳态热阻，这是因为嵌入的石墨提供了更好的散热。此外,因为增加MOSFET芯片下面的散热片的热容量，IMSwTPG相比DBC降低了约40%的瞬态热阻，见下图1.1.1.2。无论采用何种热管理策略来冷却，IMSwTPG的这两项综合散热性能(稳态和瞬态)都有了大幅提升，可以使SiC MOSFET芯片的电流密度增加，如图1.1.1.3所示：
使用AI和傅里叶级数算法优化的散热器设计
优化功率模块的散热，可显著提高功率模块的功率密度。高效率的散热对于发挥先进半导体材料的优势和提升器件可靠性至关重要。本文提出了一种液冷散热器的设计优化方法，该方法使用基于傅里叶分析算法对指定目标的散热器几何形状进行优化。
请看以上傅里叶的数学表达式，散热器结构Fam(x)的表面-考虑假设-可以用正弦谐波的和表示，其中：
x在0和Lx之间变化，
F0是一个恒定的位移;
λx是波长，也等于Lx;
H
Fh
Nhs是考虑的谐波总数。
本文基于IMS的WBG半导体模块布局进行了设计优化案例研究。
为了进行对比，我们选取了2016款宝马i3 FS800R07A2E3功率模块上的pin-fin散热器，取散热器三分之一的结构进行模拟，以匹配功率模块的尺寸。
所选散热器的稳态性能如图I.1.1.4所示。优化后的散热器在体积减半的情况下，实现了更好的散热性能，功率密度增加了一倍，温度降低了3 ~ 4℃。图I.1.1.4还显示了所选优化散热器的稳态压降几乎翻了一番，从106 Pa的pin-fin散热器到216 Pa的优化散热器。110 Pa的额外压降为散热器增加了20 W/m2额外泵功率需求。但是，额外的泵功率需求增加还是具有优势的，它使得功率模块功率密度增加了一倍。
基于先进基片和散热器的氮化镓高电子迁移率晶体管集成功率模块
利用IMSs的柔性制造工艺，图I.1.1.5所示的封装概念可以提供具有集成散热片和辅助器件的多层布局，以获得最佳的电气和热性能。在该结构中，半桥电路采用垂直功率结构，以实现低换向回路电感和共模干扰屏蔽。
多层布局还提供了将每个功率器件的栅极驱动放置得尽可能近的机会，以确保降低栅极回路电感和提高开关速度。
从优化结果可知，功率模块优化设计的提升在图I.1.1.6中通过器件电流密度和功率模块体积两方面呈现。如图I.1.1.6所示，所选的设计实现了23 cm^3功率模块体积下氮化镓hemt超过125 A/ cm2的电流密度。所选模块设计的稳态温度及其尺寸如图I.1.1.6所示。最高温度为147.7℃，由于冷却结构的流动方向，上下开关温差为3.6℃。
小结
该报告介绍了下一代先进集成电力电子器件的新基板、散热器和集成技术，是高功率密度和可靠性实现DOE ELT 2025技术目标(100 kW/L, 2.7美元/kW, 30万英里寿命)的机会点。在稳态和瞬态热阻分析的基础上，将氮化铝基于DBC与TPG嵌入IMSs进行了比较。与基于IMS和DBC的解决方案相比，IMSwTPG在瞬态和稳态工作条件下为SiC MOSFET开关提供了更低的结温。IMSwTPG降低了SiC mosfet在额定功率损耗和同样冷却温度下的结温。利用人工智能和傅立叶级数，通过多物理有限元分析仿真，提出了一种新的散热器设计算法。开发的算法可以提供比传统的基于针翅片的液冷散热器解决方案紧凑两倍的散热器设计。基于多层IMS和紧凑的散热器解决方案，开发了氮化镓hemt的集成功率模块，提供了更高的电气和散热性能。
分段式逆变器拓扑结构
目前逆变器中可以满足要求的电容器价格昂贵，体积庞大，占容量和成本的五分之一。
分段逆变器设计了一种DC波纹电流自适应最小(DREAM)调制方案，并用SiC MOSFET逆变器原型进行了实验验证(图I.1.2.1)，该方案可以在传统分段PWM方案的基础上进一步减小逆变器直流母线纹波电流。与非分段逆变器相比，使用传统分段方法的逆变器纹波电流降低了41.3%，使用DREAM方法的逆变器纹波电流降低了64.3%。
本文还对分段式和开式定子绕组驱动器进行了比较研究。图I.1.2.3给出了图I.1.2.3(a)中单直流源和图I.1.2.3(b)中两个单独直流源的开式定子绕组逆变器器的框图。单直流电源配置是电动汽车牵引驱动的首选，并在本项目中被选中用于比较。
图I.1.2.4为在功率因数分别为0.7、0.8、0.9和1时，用虚线表示的交错pwm的开式绕组逆变器和用实线表示的分段驱动器的直流母线纹波电流对比图。仿真结果表明，在所有情况下，分段驱动的直流母线纹波电流均低于开式绕组驱动，而母线箝位SVPWM在开式绕组驱动中产生的纹波电流最低。
针对电容等效串联电阻(ESR)随频率变化的特点，开发了直流母线电容损耗和温度的频域分析工具。图I.1.2.5为该工具的框图，将逆变电路仿真得到的电容电流反馈给快速傅里叶变换来计算谐波分量。电容器损耗的计算方法是将每个电流分量在对应的ESR上的损耗进行求和，并使用查表法作为频率和温度的函数。图I.1.2.6提供了一个案例研究的结果。图中的图表显示以下三种条件下ESR损耗和温度的频域分析结果对比，传统设计方法设计的一个典型电容器与分段PWM调制指数,传统SVPWM,传统三角载波PWM。结果表明，传统方法计算的损耗对三种PWM方案的损耗都低估了18%以上，分段逆变器的电容温度误差约为1℃，其他PWM方法的电容温度误差约为1.5℃~ 4.6℃。虽然纹波电流显著降低，但是分段逆变器的电容温升差异很小。
本文还设计了一个带有嵌入式冷却通道的母排，以防止逆变器开关产生的热量加热直流母线电容器(图I.1.2.7)。
图表I.1.2.8显示了带有和不带有直接冷却母线的无分段和分段逆变器在整车加速工况下直流母线电容核心温度。通过直接冷却母排，两个逆变器的电容温度降低2°C至19°C。此外，尽管分段逆变器的直流母线电容只有非分段逆变器的一半，但在两种冷却条件下，其电容核心温度均比非分段逆变器低14℃。
小结
实验验证了一种新的分段逆变器PWM方法，该方法比传统方法降低了23%的电容纹波电流。对开式绕组驱动的仿真结果表明:(1)母线电压利用率较高，半导体电压利用率较低;(2)相同半导体用量下，逆变器额定值降低13%;(3)交错控制明显降低了直流母线纹波电流，仍比分段逆变器高出15%至100%;(4)来自逆变器和/或电机反电磁力的三次谐波产生不必要的零序电流。
频域分析结果表明，传统设计方法对分段逆变器的电容损耗低估了18%以上，电容温度低估了1℃左右，而对非分段逆变器的电容温度低估了1.5℃~ 4.6℃。仿真结果还表明，采用直接冷却母排，电容器温度降低2℃至19℃。此外，尽管分段逆变器的直流母线电容只有非分段逆变器的一半，但与非分段逆变器相比，其电容核心温度可降低高达14℃。