第一期
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：
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。
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：
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℃。
技术路线图中，目前的电机技术和目标差距包含: 减少稀土用量(无重稀土金属)，无稀土磁钢，无稀土化电机和先进材料。为了解决这些差距，主要的研发策略是通过使用低成本高性能的新材料，并将其应用于电机设计创新。高性能的材料包括超导铜材，无重稀土和无稀土磁钢，低成本耐高压绝缘材料。这些高性能材料适用于许多不同的电机类型如下图所示，底部用红色标明适用于电动汽车电驱动系统。了解新材料的性能及其在电机性能提升中特性是将其应用于电机设计创新的关键。
下图展示了要实现2025电机目标需要研究的领域和方向，在这些领域和方向存在的潜在问题需要解决，以下就每个领域存在的问题和研究方向进行说明：
Material Physics Based Models
背景:目前对材料的磁性有基本的了解，但更准确的建模磁性材料的特性将使更高功率密度的电机成为可能。影响磁性能的因素有冲压技术和叠层技术；
需要解决的问题：单片材料内的磁性会有一定的差异。冲压或切割产生的残余应力会阻止磁性均质，这也限制了电机设计的优化。新的叠层策略（即芯片内粘合或涂层钢）也会影响叠层后的磁性特性。
背景：材料的导热性决定了所需材料的数量产生所需的磁场以能达到的功率，事实上电机功率和尺寸存在一定的比例关系。此外，随着电动汽车系统电压的提升，需要低成本绝缘材料满足汽车耐久性的需要。
需要解决的问题：在目前发表的文献中，材料性能的表征技术不完善或不精确。需要改进材料的导电性和导热性来减小电动机的尺寸和成本。也需要 满足1,200 V 条件下低成本的绝缘材料，并且满足 300,000 英里使用寿命。
背景：目前的永磁电机使用钕铁硼永磁电机，因为它们优越的磁性能。然而，这些磁铁很贵，而且它们的价格不稳定。此外，高温下的退磁限制了电机负载能力或需要热管理系统进行良好散热。
需要解决的问题：具有磁性的非稀土磁性材料，性能类似于 NdFeB 磁体，但成本更低且温度限制需要更高
背景：材料的导电性和导热性决定了材料的用量来产生需要的磁场进而产生需要的功率，这就定义了给定功率水平的电机尺寸。
需要解决的问题：铜和钢具有更高的需要导电性和导热性来减小电机的尺寸和成本
背景：WBG 逆变器中出现高瞬时电压变化率 (dv/dt)。随着 ETDS 电压的增加，满足汽车耐久性和成本要求。
需要解决的问题：需要改进的绝缘漆来协助电机在 WBG 逆变器开关的高 dv/dt条件下满足 300,000 英里的车辆行驶里程。
现有的在300V系统下的绝缘材料在这种高dv/dt条件下很快会被击穿 ，电机行业在高 dv/dt 方面的经验很少。
Thermally Conductive Epoxy, Fillers, and Winding Insulation
背景：传统电机封装材料（环氧树脂、填料、绕组绝缘、槽衬）通常会严重限制电机散热。
需要解决的问题：降低电机热封装阻有助于提高功率密度、减少体积和成本，同时电机可以保持良好的可靠性。增加各种导电性并减小封装材料的热阻十分必要——导热环氧树脂、填料以及绕组绝缘材料。这些材料将对各种高性能电机结构产生重大影响。
首先，我们先来看看DOE2018年的年度报告，围绕电机的2025目标看看有哪些值得解读的技术：
评估旋转变压器原理的无接触功率转移到转子励磁的WRSMs（wound rotor synchronous motors）。
利用艾姆斯实验室开发的AlNiCo永磁体的优异性能来设计一款电机
本项目考虑两种非稀土电机用于牵引电机: WRSM 和AlNiCo PM电机。WRSM是一种非永磁体材料同步电机，因此成本具备可观优势，可以帮助实现美国能源部2025年ELT成本降低30%的目标。本项目提出了一种基于新型旋转变压器技术的无接触转子励磁系统，解决了转子励磁的可靠性问题。旋转变压器原理转子励磁和WRSM的高可靠性将有助于实现DOE ELT 2025年的寿命预期目标，即30万英里。此外，使用AlNiCo磁铁的PM电机是另一个成本效益高的非稀土选择。
基于旋转变压器原理的无接触励磁系统，使绕线转子同步电机用于牵引应用。
绕线转子同步电机(WRSM)是一种非常有吸引力的非永磁(非稀土)电机选择，与其他机器拓扑结构相比，它具有最佳的扭矩/功率密度。
本项目提出了一种新的旋转变压器拓扑来解决WRSM牵引电机的转子励磁问题(图I.7.2)。与传统和目前最先进的同类技术相比，所提出的旋转变压器技术具有明显更好的功率传递能力，并显著降低了旋转部件的离心机械应力。如图I.7.2所示，其特点如下:
• 交错绕组，可显著降低漏感(4倍)，并改善耦合系数
• 用于转子绕组的复合非磁性和非导电结构支撑，使转子重量轻，并使转子离心应力低
• 大的机械气隙，消除了制造公差限制，并允许安全高速运行。
从电机技术路线看，去稀土是美版电机技术路线最重要的方向之一。为什么一定要去稀土呢？很多人都知道稀土是不可再生资源，全世界稀土的储量主要在中国(如下图1所示)，属于战略性资源。另一方面，新能源汽车市场每年的大幅增长也带来大幅增长的稀土资源需求(如下图2所示：2015至2025年除中国之外的世界稀土需求)，从图上可以看到，稀土需求和供给存在巨大的Gap，所以欧美等相关企业和机构提出的电机主要研究方向就在去稀土或者少稀土化。
电机去重稀土在DOE 2020年度报告中有几个主题，本章重点看看Oak RidgeNational Laboratory(橡树岭国家实验室)的研究项目：无重稀土高速电机
在牵引电机中使用非重稀土永磁(PM)材料是电机最重要研究方向之一，无重稀土才能确保电动汽车的可持续性、盈利性和可承受性，并扩大其采用范围。本课题主要研究了一款最高转速20000rpm无重稀土永磁电机，采用双三相结构(可以通过PWM控制可以减少DC-link纹波电流)，可以解决高速是反电势过高失控的问题，双三相还具有冗余工作的特点，其中一组有问题另外一组还能继续工作，提高系统可靠性。本报告深入分析了在这种设计在电磁，热，机械结构等方面的可行性，分析结果也证明了本方案在退磁问题上的鲁棒性。
整个项目的目标就是开发一款无重稀土高功率密度驱动电机，分析代替永磁体材料的特性和影响。本项目2020年的目标主要是以下2个：
1. 设计完成一款双三相无重稀土高速永磁电机满足DOE2025年的指标要求；
本课题设计一款峰值功率100kW，最高转速20000rpm的无重稀土永磁电机来满足DOE的目标(如图I.1.4.1)。此永磁电机不使用镝材料。电机方案采用Halbach表贴式外转子电机，定子采用齿形集中绕组，选用这种方案主要基于如下几点原因：
1. 这种方案提供了将逆变器集成到定子内部中空体积的机会；
2. 由转子轭和转子支撑保护磁体，提供了对抗离心力的结构；
3. 气隙半径位于最外层，这有助于最大限度地提高扭矩密度。以往的研究表明，这种拓扑在几种在潜在的集中拓扑中具有最高的功率密度；
4. 选用齿形绕组可以利用它较大的直轴电感以改善弱磁控制能力，这种绕组结构还可以实现低转矩脉动；
电机采用双三相结构(如图I.1.4.3)，通过PWM控制可以实现DC-link纹波电流大幅降低(前面几章分析过)。
以下通过电磁性能，结构强度，热分析等三个方面分析和证明本方案的可行性。
这个项目的目的是研究、设计、开发和测试一个高性能牵引电机和一个高效的牵引逆变器,然后将它们集成为共壳体的电机驱动总成(IMD)应用于新能源汽车。
新的IMD系统将显著提高电机和逆变器的功率密度值，以满足激进的DOE技术目标，同时降低成本。这款高功率密度、低成本的IMD原型机将成为OEM及其供应商的重要技术数据来源，可用于改善未来电动汽车牵引驱动系统的性能。
本项目有两套单独的电力电子逆变器和电机性能指标，列在表I.1.16.1中。
由于本项目要到2024年才结束，目前只能看到研究机构规划的研究方法和2020年的一些成果。
该项目首先对未来车辆牵引应用的几种类型的电机和逆变器拓扑进行了评估。评估结果得到了最理想的电机和逆变器拓扑的选择，该拓扑正在开发成为最先进的集成电机驱动器(IMD)原型，以下为本项目分阶段研究内容。
在预算期间#1，评估几种可用于目标集成电机驱动系统(IMD)的备选电机和逆变器。比较了电机的配置以及功率逆变器的拓扑结构，从而选择最有优势的电机和电力电子逆变器拓扑进一步进行开发。
在预算期间#2(在撰写本文时仍在进行中)，已对选定的电机和功率逆变器拓扑进行了初步的电机电磁设计和电力电子电气设计。逆变器样机正在设计、制造和测试过程中，以验证关键的IMD概念，并降低技术风险。此外，我们正在进行电机和逆变器的热和机械设计，包括将其物理集成到IMD中。
在预算期间#3,IMD的设计将最终完成，为原型组件做准备。IMD的最终设计将进行，并完成最终设计审查。样机和逆变器将分别制作和测试。设计并组装一个测功机试验台，包括用于测试电机和功率逆变器的仪器。
在预算期间#4，电机和功率逆变器将集成到相同的IMD外壳运行。随后将进行初步测试，以演示IMD原型机的功能。
在预算期间#5，将对组合原型IMD系统进行测试。将测量IMD的性能，以验证原型IMD满足其性能目标的能力。
IMD的关键部件是带有控制器的电机和逆变器，如图I.1.16.1所示。通过节省用于连接逆变器到电机的笨重的高压交流电缆和接插件，电机驱动系统的总体积和成本可以显著降低。在该系统中，最大限度地减少体积和成本是至关重要的。然而，确定哪一种电机和逆变器拓扑结构最适合用于牵引应用是一个挑战。在电机类型和多种逆变器拓扑进行比较，并选择了具有最高潜力的拓扑。使用不同的电机和逆变器拓扑进行了进一步的分析，以找到集成电机驱动的最佳电机和逆变器组合。
未完...
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