新能源汽车电机驱动控制器的关键技术

电机驱动控制系统作为新能源电动车中衔接电池与电机的电能转换单元，是电机驱动及自动控制系统的核心内容。其中高性能功率半导体元器件、智能门极驱动技术以及元器件级集成设计方法的应用，将有助于实现高功率密度、低损耗、高效率电机控制系统设计；同时，高性能、高可靠电机控制系统产品，还要求具有高标准电磁兼容性（EMC）、功能安全和可靠性设计。

功率半导体元器件技术

 电机控制系统的发展以功率半导体元器件为主线，正从硅基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、传统单面冷却封装技术，向宽禁带半导体（如SiC、GaN等）、定制化模块封装、正反两面冷却集成等方向发展。同时，得益于成熟的技术迭代，以及相比于宽禁带半导体元器件更低的成本，硅基IGBT仍然是当前与未来较长时间内电机控制系统产品的主要选择。

在硅基IGBT芯片技术方面，英飞凌科技有限公司根据新能源电动汽车市场对高功率密度的需求，开发了EDT2芯片技术，实现了750V/270AIGBT芯片的量产。富士集团等日本厂商也先后开发了高功率密度IGBT芯片技术，并已批量应用于汽车IGBT模块产品。此外，SiC元件是第三代半导体材料功率元件，相对于IGBT,MOSFET,MOSFET等，具有导热性高、耐高温、带宽、击穿场强、饱和电子漂移速率大等特点。，其温度耐受性可达225℃甚至更高，远高于目前硅基IGBT175℃。SiC元器件开关速度更快，可应用于更高的开关频率，更适用于高速电机的控制。同时，与硅基IGBT相比，SiC元件的开关损耗和导通损耗大大降低，有助于降低整车100公里的功耗，提高整车电动车的续航[1]。然而，目前SiC元件的成本仍然远远高于硅基IGBT，这成为阻碍SiC元件推广的重要因素。

 同时，铜线键合、芯片倒装、银烧结、瞬态液相焊接等新型封装技术可以提高IGBT功率模块的载流密度与寿命，因此也成为当前的研究热点。现在，电装、德尔福、英飞凌、株洲中车时代电气股份有限公司等已经研制开发了以正反两面冷却为基础的IGBT模块与电机控制系统产品，并已随整车产品批量生产。依托硅基IGBT的电机控制系统设计在未来很长一段时间内仍将是市场的主流选择，硅基IGBT元件芯片和功率模块包装技术将在不断的优化迭代中得到改进。

智能门极驱动技术

 门极驱动技术是电机控制系统中高压功率半导体元器件和低压控制电路的纽带，是驱动功率半导体元器件的关键。IGBT门极驱动除了具备基本的隔离、驱动和保护功能外，还需要结合IGBT本身的特性，对启动和关闭过程进行精确控制，使IGBT能达到损耗与EMI(EMI)的最佳折中[2]。

 智能门极驱动的两大主要特点分别为：主动门极控制和监控诊断功能。主动门极控制是根据工作环境和工况主动细化IGBT开关过程的最佳控制方法。主动门极控制技术是目前IGBT应用领域的研究热点。其基本思路是将IGBT的开关过程分为几个不同的阶段。对于某个问题，只需要对相应的阶段进行独立的门极控制，对其他参数的负面影响很小(甚至没有)[3]。

总而言之，采用智能门极驱动技术，可以充分发挥功率半导体元件的性能，如减小损耗、提高电压利用率，实现功率半导体器件健康状态的在线评估，从而达到可靠性高、安全性高设计的目的。

功率组件的集成设计

全世界典型性的电机控制系统产品为适应新能源电动车高功率密度、寿命长与可靠性高的要求，大多数的功率半导体模块封装均为定向设计[4]，功率半导体元器件与其他电子部件之间的界限日趋融合，依托于元器件的集成设计已成为新能源电动车电机控制系统发展的新趋势。

元器件级集成设计技术主要分为物理集成与需求集成设计。在电机控制系统中，物理集成设计是通过研究电机各部件之间物理结构的综合设计方法，实现了寄生参数、散热、机械强度等的平衡优化，实现机、电、热、磁等方面的最佳设计，最终达到电机控制系统高功率密度、高可靠性的设计目标。在IGBT芯片设计、功率模块封装等方面，需求集成设计技术是指根据整车设计与性能要求，建立以整车需求为导向、从系统到核心内容的自上而下的优化设计方法。它带来的好处将是提高整个电动汽车的寿命，或者减少对电池容量的要求。

其他核心技术

 除上文所述三大核心技术以外，还有下述几个核心技术需要在未来的新能源电动车产业引起重视。

 （1）EMC与可靠性设计也是实现新能源电动车电机控制系统产业化发展的核心技术。EMC与可靠性设计是评价电力电子产品的关键指标。进行更有效的EMC设计是业内一直在追寻的目标。在此基础上，通过有限元分析建立了元件-组件-控制系统的高频EMC模拟模型，研究其故障机制，最终实现电磁兼容性的积极设计，将逐渐成为主流技术路线。

 （2）汽车功能安全设计可以消除或显著降低由电子与电气系统的功能异常而引起的各类整车安全风险。目前对电动机控制系统的功能安全要求大多是ASILC级，但今后对电机控制系统功能安全的要求还会提高到ASILD级，这就要求对电机控制系统产品进行更加复杂、冗余和可靠性指标的改进[5]。

 （3）电机控制系统产品的可靠性设计。电机控制系统作为新能源电动车的核心内容驱动单元，其可靠性指标直接影响着整车的驾乘体验与市场口碑。德国和美国汽车电子厂商联合提出了鲁棒性验证（RV）方法[6]，该方法已经被英飞凌科技公司、博世集团广泛应用于半导体分立器件的可靠性设计分析，针对于例如电机控制系统等的复杂系统，其适用性与有效性仍在更进一步探索中。