宁圃奇,现为中国科学院电工研究所研究员。通过近10年刻苦钻研、锐意创新,他在宽禁带半导体功率模块封装及高功率密度车用电机驱动应用等研究领域取得了成就。宁圃奇主持了包括 “十三五”“十四五”国家重点研发计划项目在内的8项研究,为我国宽禁带半导体封装与应用水平的进步作出了贡献。
胸怀祖国,为国家科学事业磨砺才干
2000年到2006年,宁圃奇在清华大学电机系学习,先后获得了学士和硕士学位。2006年,他进入到世界著名的美国弗吉尼亚理工大学电力电子中心(CPES)开展博士学习,师从王飞教授(美国GE公司多个海外研发中心缔造者、IEEE会士)。丰富的学习经历使他系统地掌握了电力电子创新应用知识,成长为一位擅长多学科交叉的研究人员,他在博士期间的科研工作也被当年弗吉尼亚理工大学电气系招生宣传册专门介绍。CPES中心主任美国工程院士Fred Lee教授在推荐信中写道:“宁圃奇在国际性的功率器件应用前沿研究中,思路创新,是CPES实验室封装毕业生中突出的2-3人之一。”
2010年博士毕业后,宁圃奇加入世界著名的美国橡树岭国家实验室继续开展科研工作。在那里,他主要从事高效车用电机驱动的研究,并提出了电驱动元件构型的降阶解析模型,可同时实现功率模块电气、散热、热应力三方面的快速评估,被写入行业内公认的橡树岭实验室年度报告。由于工作成绩突出,2012年宁圃奇荣获所在能源研究部的“特殊贡献者”奖,同年由实验室协助获得美国绿卡。
2013年3月,宁圃奇在国际知名的电力电子会议上,与中科院电工所李耀华所长和车用电机驱动研究部温旭辉主任进行了深入交流,他认识到,中国的快速发展不仅需要在电气工程新领域取得新的突破,更需要有为电气事业献身的研究人员。在科技报国的理想感召下,宁圃奇毅然决定回国发展,为国效力。
2013年7月,宁圃奇回国进入中国科学院电工研究所工作。在所领导和研究部的大力支持下,依托国家专项项目,宁圃奇迅速建立100平米的千级净化封装实验间,并建成国内较早具有引线键合、真空回流焊接等16项关键工艺研究的封装实验室,先后设计开发出多款具有国际先进水平的封装形式。他参与建设国内首家高压大功率模块第三方综合检测CNAS平台,满足工业级功率器件模块电气性能、热性能、可靠性等各方面测试的需要,目前已经为国内外100多家企业提供定制化服务,年检测量近万块,促进了国产功率模块的迅速进步。经过近10年的发展,宁圃奇逐渐汇聚组织了一支创新能力强、勤奋敬业、梯队合理的研究团队,拥有从事电路硬件设计、驱动设计和电驱动集成的专业成员,在SiC芯片结温监测、高效驱动设计、高密度集成优化设计方面积累了大量经验。
科技报国,在电气工程前沿矢志创新
碳化硅(SiC)功率器件性能优异,是硅器件的竞争者和替代者,模块封装是其应用基础。宁圃奇在低感均流模块布局设计、高温平面型双面冷却SiC模块开发、SiC器件高效驱动与系统集成散热等方面都取得了原创性成果,为车用高功率密度电机驱动中发挥SiC芯片的高温、高频特性提供了理论支持和应用依据。为充分发挥SiC器件的高频、高温性能,宁圃奇应用遗传算法突破模块自动布局设计技术优化了双面Pinfin布局,解决了SiC高密度模块散热能力不足和温度不平衡的问题,与常规键合型封装相比,杂散阻抗降低68%、散热能力提高53%。通过与江苏宏微科技、扬州国扬电子、嘉兴斯达半导体等功率模块生产单位合作,在科研与转化过程中形成20多款封装、多种系列模块产品,电压范围覆盖600V~3300V,产品在光伏、新能源汽车、变频器、电焊机等领域获得了规模化的应用和配套,累计销售30万只。
宁圃奇深入开展母线电容特性研究,分别从电压和电流角度分析电容储能瞬态,获得电容散热的准确需求。在此基础上,研究SiC模块和电容器的统一水冷散热技术,使SiC器件的高频、高效特性得到充分利用,实现了120kW电机驱动在入水口105ºC下的稳定运行,功率密度达到47.5kW/L。科研团队研发的80kW电机控制器在常州道清公司的特种车上运行3个月,累计2150公里无故障发生,目前已和比亚迪、北汽等大型整车单位开展了战略性的合作。
弘扬科学家精神,推力相关学科领域发展
在没有太多经验可供借鉴的全新领域,宁圃奇秉承坚持不懈、甘坐“冷板凳”的意志和信念,靠着不断摸索、试错,一点点持续开展科研攻关。作为中国科学院大学电子学院的岗位教师,他大力弘扬科学家精神,在开展科研工作的同时注重教书育人,坚持开展“现代电力电子与控制技术”课程教学9年,连续3年开设国科大本科生暑期社会实践课程,培养了多名博士生和硕士生,多人获得国科大一等奖学金。2019年,他成为国科大电子学院首批本科生的毕业设计指导老师。
在一丝不苟的科研工作中,宁圃奇始终坚信“科学研究最大的动力,是对所从事的研究领域发自内心的极致热爱,是内心深处渴望探索未知、寻找答案的本能。”他正是凭着刻苦钻研精神,艰苦奋斗、勇于担当,取得了一项又一项突出的科研成果,为推动中国碳化硅功率器件科研事业不断地作出自己的贡献。