清研科普 | 为什么三电技术中，电控技术很少被提及？

最近小编经常听到三电技术这个词，电池、电机、电控嘛！就算不是这方面的专业研究者，但讲起电池的时候，小编也能说上来麒麟电池、刀片电池、弹匣电池等技术；讲起电机，也能说上几句感应电机、永磁同步电机的区别，也知道扁线电机、发卡绕组等技术。

那么电控呢？怎么感觉电控技术很少被提及呢？带着这个问题，小编请教了研究院的专家。

专家微微一笑：“电控之所以看起来隐形了，有四个原因。”

1、部分电控技术，被电机、电池技术涵盖

现在电动车常用的永磁同步电机和异步交流电机，都属于三相交流电机。

图1. 电动汽车驱动电机种类

三相交流电机与矢量控制算法（Sensorless vector control ）是严格绑定的。也就是说，当一辆电动汽车说自己采用了永磁同步或异步交流电机的时候，就默认公布了自己采用的电控算法。

2、核心电控算法已经成熟，难创新

交流电机的发展高峰期在20世纪60至80年代，主要推动力是：

图2. 电机驱动发展历程概述

• 算法：空间矢量调制控制技术(SVPWM, Space Vector PWM)。

• 信号硬件：先进处理器的发明使用，承载算法。

• 功率硬件：IGBT的发明与商业推广，执行算法。

这三者都属于电控范畴，但是算法已经成熟，几乎不可能再改进；承载算法的信号硬件早就够用了，也没啥好提的。这就像不发售新的游戏，Nvidia显卡也就没有用武之地一样。

功率硬件也就是功率半导体，倒还有进步的空间，只不过大家似乎没意识到这属于电控。这就涉及到下一个方面了。

3、提及了，但没意识到这属于电控技术

碳化硅(SiC)技术大家应该都有所耳闻，特斯拉、比亚迪的电机能耗之所以低，就因为率先用上了SiC半导体技术。那SiC MOSFET、IGBT这种看得见、摸得着的硬件，怎么能说是电控技术呢？

无论是永磁同步电机（PMSM, Permanent-Magnet Synchronous Motor），还是异步交流电机（IM, Inductor Motor），要想旋转起来都离不开正弦波的交流电：

• 算法：这个正弦波的时刻、周期、相位，就是由SVPWM算法来决定的，也就是一行行代码组成的算法。

• 算法 → 信号：算法转化成信号，就是依赖处理器，也就是芯片。

• 信号 → 功率：信号转化成功率，就是依赖开关器件，也就是功率半导体器件。

只需要给“开关器件”输入一个小功率的控制信号（例如1毛钱发个短信），它就可以输出/断开高功率电流——这种以小搏大的开关器件，就是传说中的双极型晶体管(简称BJT，Bipolar Junction Transistor），又称三极管。

可以看到，BJT能以小电流控制大电流、能以1美分杠杆撬动100美元，因此又被称为“放大器“。

图3. BJT工作原理

BJT能完成“开关器件“的基本功能，但它也有开关频率较慢、开关损耗较高、驱动功耗高等缺点，更重要是：它要撬动100块钱，至少要花费1毛钱，如果我1毛钱都不想花呢？ 

那就要把“流控器件”换为“压控器件”，也就是MOSFET（metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属-氧化物半导体场效应晶体管）。

图4. MOSFET结构示意图

MOSFET也有三个极，只需要在Gate极上施压（施加一个电压信号）不需要花费什么，就可以在另外两极上输出/断开功率电流。

如此看来，MOSFET比BJT好得多，但应用到汽车领域有一个致命问题：耐压较弱、做不了高功率。大体上来说，600V10A就基本到头了 —— 400V勉强可以用一下，但功率只有6kW，造个电动自行车还行。

电动汽车的应用场景太苛刻，MOSFET的小身板扛不住，那咋办？有两条思路，一是从外部找帮手，二是从内部提高自身属性，打铁还需自身硬。

俗话说得好，严以待人，宽以律己 —— 提升自身属性的路总是很难的，还是先去找找帮手吧！于是，MOSFET找到了刚被它痛打过的BJT，二者组成了耐压范围600-6500V的大功率开关器件，也就是MOSFET + BJT = IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）。

图5. 功率半导体主要应用领域

BJT、MOSFET、IGBT指的都是半导体“结构”，默认都基于Si（硅） “材料”。因此，它们的全称应该“材料+结构”的组合，比如Si MOSFET、Si IGBT。只不过在很长一段时间里，除了Si别无选择，所以也就把材料符号给省略了。

SiC（碳化硅）则是近年来兴起的第三代半导体材料，它是一种宽禁带半导体材料，可以做到很高的耐压下芯片还很薄 —— 高耐压、高功率、高效率、小体积。

图6. 半导体发展

材料属性的提升，意味着用它们制成的半导体器件应用范围更广：

图7. Si, SiC, GaN应用场景

这也意味着，我们没必要用给Si MOSFET找帮手升级为Si IGBT的方式来提高能力了，可以按照打铁还需自身硬的思路，以提升材料属性的方式升级为SiC MOSFET就可以了！

所以说，从算法→信号→功率这个链条上来看，SiC MOSFET与IGBT应该归为电控技术吧！

4、理解门槛高，不易传播

有些电控算法理解门槛高，不易传播。例如电控有一个核心的安全概念：功能安全（Function Safety）。

功能安全这个概念非常复杂，难以理解。别说讲给消费者了，就算是工程师，没有相关经验也很难明白。如果你是车企的市场总监，你觉得重点宣传电控是一个好主意吗？

小编听完之后懂了：并不是电控不重要，只是不太好单独宣传，或者是已经被电机/电池技术涵盖了。如果有兴趣深入钻研，才有可能领略电控技术的精妙！

参考链接:

1. https://www.zhihu.com/question/23894327/answer/168299698

2. https://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET

3. http://guba.eastmoney.com/news,688396,925916159.html

4. 宽禁带半导体行业深度：SiC与GaN的兴起与未来. 中泰证券. 2019年.

5. https://www.infineon.com/cms/en/product/wide-band-gap-semiconductors-sic-gan/

6. https://www.onelectrontech.com/applications-of-wide-band-gap-wbg-devices-in-energy-infrastructure/