【導(dǎo)讀】雙碳目標(biāo)正加速推進(jìn)汽車向電動(dòng)化發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新助力汽車從燃油車過(guò)渡到電動(dòng)車，新一代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)因獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將改變電動(dòng)車的未來(lái)，如在關(guān)鍵的主驅(qū)逆變器中采用SiC可滿足更高功率和更低的能效、更遠(yuǎn)續(xù)航、更小損耗和更低的重量，以及向800 V遷移的趨勢(shì)中更能發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，但面臨成本、封裝及技術(shù)成熟度等多方面挑戰(zhàn)。
安森美(onsemi)提供領(lǐng)先的智能電源方案，在SiC領(lǐng)域有著深厚的歷史積淀，是世界上少數(shù)能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應(yīng)商之一，其創(chuàng)新的VE Trac? Direct SiC和VE-Trac? B2 SiC方案采用穩(wěn)定可靠的平面SiC技術(shù)，結(jié)合燒結(jié)技術(shù)和壓鑄模封裝，幫助設(shè)計(jì)人員解決上述挑戰(zhàn)，配合公司其他先進(jìn)的智能功率電源半導(dǎo)體，加快市場(chǎng)采用電動(dòng)車，助力未來(lái)的交通邁向可持續(xù)發(fā)展。
電動(dòng)車主驅(qū)發(fā)展趨勢(shì)
無(wú)論電動(dòng)車的配置如何，是完全由電池驅(qū)動(dòng)還是串聯(lián)插電式或并聯(lián)混動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，車輛電氣化都有這幾個(gè)關(guān)鍵因素：首先，電量存儲(chǔ)在電池內(nèi)，然后直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流輸出，供電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。因此，主驅(qū)逆變器的能效和性能是關(guān)鍵，將直接影響電動(dòng)車的性能以及每個(gè)充電周期可達(dá)到的行駛里程。
電動(dòng)車主驅(qū)追求更大功率、更高能效、更高母線電壓、更輕重量和更小尺寸。更大功率意味著更大的持續(xù)扭矩輸出，更好的加速性能。更高能效可使續(xù)航更遠(yuǎn)，損耗更低。400 V電池是當(dāng)前主流，即將向800 V發(fā)展。800 V架構(gòu)可減短充電時(shí)間和降低損耗并減輕重量，從而使續(xù)航里程更遠(yuǎn)。無(wú)論電機(jī)是在前軸還是在后軸，更小的電機(jī)尺寸都使得可利用的后備箱和乘客空間更大。這些趨勢(shì)推動(dòng)了電動(dòng)車主驅(qū)中的功率器件從IGBT向SiC轉(zhuǎn)型。
SiC是主驅(qū)逆變器的未來(lái)
SiC最重要的特性之一是它的禁帶帶隙比Si寬，電子遷移率是Si的3倍，帶來(lái)更低的損耗。SiC的擊穿電壓是Si的8倍，高擊穿電壓和更薄的漂移層，更適合高電壓架構(gòu)如800 V。SiC的莫氏硬度為9.5，只比最硬的材料鉆石稍軟，比Si硬3.5，更適合做燒結(jié)，器件燒結(jié)后使可靠性得以提升，導(dǎo)熱性增強(qiáng)。SiC的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的4倍，更易于散熱，從而降低散熱成本。
在逆變器層面或整車層面，SiC MOSFET都能實(shí)現(xiàn)比IGBT更低的整體系統(tǒng)級(jí)成本、更好的性能和質(zhì)量。SiC MOSFET相對(duì)于IGBT用于主驅(qū)逆變器應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)有：
1. SiC使單位面積的功率密度更高，特別是在更高的電壓下(如1200伏擊穿)
2. 小電流下導(dǎo)通損耗比較低，導(dǎo)致在低負(fù)載時(shí)有更高的能效
3. 單極性的行為，可在更高溫度下工作，開(kāi)關(guān)損耗更低
VE-Trac? SiC系列：燒結(jié)工藝+壓鑄模SiC技術(shù)，專為主驅(qū)逆變而設(shè)計(jì)
安森美推出的針對(duì)主驅(qū)逆變特定封裝的SiC產(chǎn)品有：VE-Trac? Direct SiC(1.7 m? Rdson, 900 V 6-pack)功率模塊，VE-Trac? Direct SiC(2.2 m? Rdson, 900 V 6-pack)功率模塊，VE-Trac? B2 SiC(2.6 m? Rdson, 1200 V 半橋)功率模塊，提供行業(yè)里與IGBT或SiC高度兼容的封裝管腳，減少結(jié)構(gòu)的變更設(shè)計(jì)工作。
圖1：VE Trac? Direct SiC(左)和VE Trac? B2 SiC(右)
為提高功率輸出，散熱至關(guān)重要。為了達(dá)到最佳的散熱效果，安森美VE-Trac? Direct SiC采用最新的銀燒結(jié)工藝，將SiC裸芯直接燒結(jié)在DBC上，DBC焊接到Pin Fin底板，底板下是冷卻液，這樣，芯片結(jié)和冷卻液之間的直接冷卻路徑有助于大大減少間接冷卻的熱阻，從而確保更大的功率輸出，如1.7 m? Rdson的VE-Trac? Direct SiC熱阻達(dá)到0.10℃/W，比VE-Trac? Direct IGBT的熱阻低20%。
圖2：VE-Trac? Direct SiC關(guān)鍵功能
差異化的壓鑄模封裝技術(shù)，比傳統(tǒng)的凝膠模塊可靠性更高，功率密度更高，雜散電感更低，散熱性能更好，易于擴(kuò)展功率，更具成本優(yōu)勢(shì)，由于SiC可耐受的工作溫度高達(dá)200℃，持續(xù)工作時(shí)間達(dá)到175℃，因此含SiC的塑封壓鑄模封裝比壓鑄模IGBT模塊進(jìn)一步提高工作的溫度，使得輸出的功率更高。
安森美在相同的條件下對(duì)VE-Trac? Direct IGBT和VE-Trac? Direct SiC進(jìn)行仿真對(duì)比，它們提供同樣的輸出功率時(shí)，VE Trac? Direct SiC的結(jié)溫比VE Trac? Direct IGBT低21%，因而損耗更低，使能效得以提升。
圖3：仿真結(jié)果：SiC損耗更低
能效的提升，相當(dāng)于更遠(yuǎn)的續(xù)航里程或更低的電池成本。例如，使用相同的100 kWh電池，用SiC方案的續(xù)航里程比用Si遠(yuǎn)5%。如果目標(biāo)是節(jié)約成本，可減少電池尺寸以提供相同的續(xù)航能力。例如從140 kWh電池的Si方案改用100 kWh電池的SiC方案， 電池成本降低5%，但續(xù)航里程不變。
在同樣的450 V直流母線和150 ℃結(jié)溫(Tvj)條件下，820 A的IGBT可提供590 Arms的電流，輸出功率213 kW，相當(dāng)于285馬力(HP)。2.2 mOhm SiC可提供605 Arms的電流，輸出功率220 kW，相當(dāng)于295 HP。1.7 mOhm SiC可提供760 Arms電流，輸出功率274 kW，相當(dāng)于367 HP。
為何選用安森美的VE-Trac? SiC？
SiC在MOSFET中的應(yīng)用已超過(guò)10年，卻沒(méi)有被汽車廠商廣泛用于主驅(qū)方案中，是因?yàn)槊媾RSiC比硅基IGBT的成本高、供貨和供應(yīng)、實(shí)施困難、技術(shù)成熟度、封裝不適合主驅(qū)方案等多個(gè)挑戰(zhàn)。
安森美在SiC領(lǐng)域的歷史可追溯到2004年，近年又收購(gòu)了上游SiC供應(yīng)企業(yè)GTAT，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合，是世界上少數(shù)提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應(yīng)商，包括SiC晶錠生長(zhǎng)、襯底、外延、器件制造、同類最佳的集成模塊和分立封裝方案，保證穩(wěn)定可靠的供應(yīng)鏈，有助于成本的優(yōu)化。
在系統(tǒng)方面，安森美也有很強(qiáng)的技術(shù)和系統(tǒng)知識(shí)，為客戶提供全球的應(yīng)用支持。GTAT工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其SiC能提供非常精確的電阻率值, 且其整個(gè)晶體的電阻率分布非常均勻。
此外，安森美正推進(jìn)6英寸和8英寸SiC晶體生長(zhǎng)技術(shù)，同時(shí)還將對(duì)更多SiC供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)進(jìn)行投資，包括晶圓廠產(chǎn)能和封裝線。同時(shí)，安森美憑借多年的技術(shù)積累以及幾年前收購(gòu)Fairchild半導(dǎo)體基因帶來(lái)的技術(shù)補(bǔ)充，不斷迭代，其SiC技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入第三代，綜合性能在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。
圖4：安森美SiC的領(lǐng)先地位
VE-Trac? SiC與VE-Trac? IGBT的封裝管腳高度兼容，所以從IGBT轉(zhuǎn)向SiC減少了結(jié)構(gòu)變更設(shè)計(jì)工作，同時(shí)，VE-Trac? SiC沿用了VE-Trac? IGBT的壓接設(shè)計(jì)，焊接可靠，可在175℃持續(xù)工作，符合車規(guī)AECQ101和AQG324，功率級(jí)可靈活擴(kuò)展。
VE-Trac? B2 SiC在一個(gè)半橋架構(gòu)中集成了安森美的所有SiC MOSFET技術(shù)。裸片連接采用燒結(jié)技術(shù)，提高了散熱性、能效、功率密度和可靠性，可在175℃持續(xù)工作甚至可短期工作在200℃，符合AQG 324汽車功率模塊標(biāo)準(zhǔn)。B2 SiC模塊結(jié)合燒結(jié)技術(shù)用于裸片連接和銅夾，壓鑄模工藝用于實(shí)現(xiàn)可靠的封裝。其SiC芯片組采用安森美的M1 SiC技術(shù)，從而提供高電流密度、強(qiáng)大的短路保護(hù)、高阻斷電壓和高工作溫度，在電動(dòng)車主驅(qū)應(yīng)用中帶來(lái)領(lǐng)先同類的性能。
圖5：VE-Trac? B2 SiC價(jià)值定位
未來(lái)的產(chǎn)品和800 V電池的優(yōu)勢(shì)
由于SiC擁有更高的擊穿電壓，將使800 V電池架構(gòu)得到廣泛采用。更低的電流產(chǎn)生更少的熱量，而更高的直流電池電壓，增加逆變器的功率密度。從整車層面來(lái)看，更高的電壓，電流就減小，因而截面的電纜和連接器也更小，重量更輕，在大電流如35 kW以上的充電條件下有更快的充電速度，性能也得到更好的提升，所以在高性能車型中會(huì)優(yōu)先采用800 V架構(gòu)。
總結(jié)
SiC將改變電動(dòng)車的未來(lái)。安森美是世界上為數(shù)不多能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案的供應(yīng)商之一，其專為主驅(qū)逆變?cè)O(shè)計(jì)的VE-Trac? Direct SiC和VE-Trac? B2 SiC采用差異化的壓鑄模封裝和創(chuàng)新的燒結(jié)工藝，符合車規(guī)，提供更好的散熱性，損耗更低，功率更大，能效更高，使得新能源汽車的續(xù)航里程更長(zhǎng)，電池更小，加上技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供的應(yīng)用支援，幫助從成本、供貨、技術(shù)、封裝等方面解決將SiC用于主驅(qū)的挑戰(zhàn)，并推進(jìn)電動(dòng)車從400 V向800 V發(fā)展。
未來(lái)，安森美將持續(xù)創(chuàng)新，提供領(lǐng)先的智能電源方案，包括IGBT、SiC和VE-Trac?模塊，賦能更強(qiáng)大可靠的汽車產(chǎn)品，幫助加快市場(chǎng)采用電動(dòng)車，并使未來(lái)的交通邁向可持續(xù)發(fā)展。
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