保时捷/博世：碳化硅嵌入式逆变器亮相，功率达720kW

近期，弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所 (IZM) 的研究人员宣布，他们与保时捷和博世合作开发了一种新型逆变器Dauerpower，目标是突破传统主驱逆变器不可能实现的界限。

据介绍，Dauerpower的峰值效率高达98.7%，其瞬时峰值功率可以高达 720kW（约979马力）,额定电流为900A，功率密度达到200 kVA/升。而且其连续输出功率接近600kW（相当于815马力），约为柴油重型卡车功率的1.5倍，他们认为这款逆变器将为高端电动跑车树立新的标杆。

Dauerpower逆变器项目于2021年启动，获得德国联邦经济部120万欧元的资助，目前已经完成模拟阶段，原型机正在建造中，最终将在保时捷汽车进行全面测试，以便有朝一日实现量产（获取相关资料请加许若冰微信：hangjiashuo999）。

众所周知，电动跑车的加速性能很强，然而相较于高性能燃油跑车，其持续加速性能还有待改善，这主要是因为关键部件过热严重限制了电动汽车传动系统的性能，尤其是电驱逆变器，为了防止逆变器的无源元件因热量积聚而损坏，传统系统会在连续运行中限制其最大输出，因此逆变器散热优化非常重要。

在Dauerpower项目中，“弗劳恩霍夫-保时捷-博世”研究团队，采用了5个技术创新，对逆变器的散热管理进行优化，使其可在较低的工作温度下工作，从而降低功率损耗，而且功率半导体尺寸和用量大幅减少，从而进一步降低电动汽车的成本。 据弗劳恩霍夫IZM研究所项目负责人Eugen Erhardt介绍，与现有的硅基逆变器相比，Dauerpower的性能提升20%-30%。

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第一个技术创新：嵌入式SiC功率模块。Dauerpower这款逆变器可以在最小的空间内输出这么大的功率，主要是通过采用碳化硅MOSFET以及嵌入工艺来实现功率密度的提升。 

该项目开发负责人Dominik Seidenstücker透露，为了高效地处理如此大量的功率，逆变器的核心由碳化硅 (SiC) 晶体管制成。“与传统的硅晶体管相比，碳化硅半导体的特点是耐温性显著提高、半导体电容更低，并且在相同半导体面积下导通电阻更低。因此，它们具有显著降低开关和导通损耗的潜力。"

此外，碳化硅芯片在保持相同性能的同时，需要散热面积更小，散热效果更佳，从而也减少了逆变器的“降额”要求。

 据“行家说三代半”了解，Dauerpower逆变器采用了12个嵌入式半桥模块，每个模块采用了4颗SiC MOSFET芯片，合计芯片用量为48颗。通常HPD封装的碳化硅模块（8并48颗）的额定电流约为600A，而Dauerpower的嵌入式模块在同样芯片数量的情况下达到900A，电流能力提高了50%。 

Dominik Seidenstücker还表示，嵌入式碳化硅模块的另一个优点是杂散电感极低，仅为1.1nH，在同级性能中是无与伦比的。Seidenstücker解释说，“PCB 嵌入技术使我们能够缩短正向和反向导体之间的距离，从而降低杂散电感。模块较低的杂散电感使我们能够更快地进行开关操作，这反过来又进一步降低了半导体损耗。”

更为重要的是，这种PCB嵌入式技术还能实现经济高效的大规模生产。Fraunhofer IZM的模块封装也非常特别——他们采用创新的预封装工艺，将碳化硅晶体管两两一对直接封装在陶瓷基板上，这种预封装可以灵活地嵌入到传统的PCB中。

由于这种分段式陶瓷基板采用纤薄设计并减少所需材料，在受热时机械应力更小，形变更均匀。此外，分段式陶瓷基板能够充分利用有限的空间，从而最大程度地满足汽车行业的特定需求。该逆变器的“温度关键元件”都采用银烧结技术直接连接到散热系统，并以最佳方式进行热集成。由于采用并联布置，冷却液可以同时到达所有散热器和连接的半导体元件，从而均匀地散热。

第二个技术创新：3D打印的铜散热器和水道系统。除了嵌入式模块外，Dauerpower还在逆变器的水道设计和电容器方面也做了创新。首先，Dauerpower逆变器采用了3D打印的铜基散热部件，来增强导热性和设计灵活性，进一步优化了散热效果。 

此外，研究人员首次将铜用于3D打印工艺来制造散热部件，从而将铜的优异导热性与3D打印的充分灵活性相结合，而不再只能使用铝制散热器。而且与数控铣削工艺相比，3D打印在散热水道的设计方面提供了极大的自由度，从而可以最大限度地利用有限的安装空间。热量由水冷系统传导出去，这构成了整个冷却方案的后半部分。水冷系统采用3D打印的铝材，引导水流经一个并联的冷却部件，旨在以最佳方式分散系统内的压力。

该系统每分钟以10升冷却液的流量运行，但压力损失仅为150毫巴——这充分证明了该冷却技术的高效性。即使运行15分钟后，外壳和冷却剂之间的热差也不到20开尔文，在冷却输出端测得的最大温升仅为41开尔文。凭借如此先进的冷却技术，即使在重负载下，Dauerpower逆变器也能保持最佳工作温度。

第三个技术创新：新型直流母线电容器。Dauerpower采用了基于PolyCharge NanoLam技术的特殊直流链电容器，其功率密度是传统聚丙烯电容器的两倍多，从而能够以特别紧凑的方式构建了逆变器。