【導(dǎo)讀】雙碳目標(biāo)正加速推進汽車向電動化發(fā)展,半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新助力汽車從燃油車過渡到電動車,新一代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)因獨特優(yōu)勢將改變電動車的未來,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、更遠續(xù)航、更小損耗和更低的重量,以及向800 V遷移的趨勢中更能發(fā)揮它的優(yōu)勢,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 TracTM Direct SiC和VE-TracTM 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)計人員解決上述挑戰(zhàn),配合公司其他先進的智能功率電源半導(dǎo)體,加快市場采用電動車,助力未來的交通邁向可持續(xù)發(fā)展。
電動車主驅(qū)發(fā)展趨勢
無論電動車的配置如何,是完全由電池驅(qū)動還是串聯(lián)插電式或并聯(lián)混動傳動系統(tǒng),車輛電氣化都有這幾個關(guān)鍵因素:首先,電量存儲在電池內(nèi),然后直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流輸出,供電機轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動汽車。因此,主驅(qū)逆變器的能效和性能是關(guān)鍵,將直接影響電動車的性能以及每個充電周期可達到的行駛里程。
電動車主驅(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,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)可減短充電時間和降低損耗并減輕重量,從而使續(xù)航里程更遠。無論電機是在前軸還是在后軸,更小的電機尺寸都使得可利用的后備箱和乘客空間更大。這些趨勢推動了電動車主驅(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
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。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都能實現(xiàn)比IGBT更低的整體系統(tǒng)級成本、更好的性能和質(zhì)量。SiC MOSFET相對于IGBT用于主驅(qū)逆變器應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)計優(yōu)勢有:
● 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)
● 小電流下導(dǎo)通損耗比較低,導(dǎo)致在低負(fù)載時有更高的能效
● 單極性的行為,可在更高溫度下工作,開關(guān)損耗更低
VE-TracTM 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
安森美推出的針對主驅(qū)逆變特定封裝的SiC產(chǎn)品有:VE-TracTM Direct SiC (1.7 m? Rdson, 900 V 6-pack) 功率模塊,VE-TracTM Direct SiC (2.2 m? Rdson, 900 V 6-pack) 功率模塊,VE-TracTM 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)計工作。
圖1:VE TracTM Direct SiC (左) 和VE TracTM B2 SiC (右)
為提高功率輸出,散熱至關(guān)重要。為了達到最佳的散熱效果,安森美VE-TracTM 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-TracTM Direct SiC熱阻達到0.10℃/W,比VE-TracTM Direct IGBT的熱阻低20%。
圖2:VE-TracTM 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,易于擴展功率,更具成本優(yōu)勢,由于SiC可耐受的工作溫度高達200℃,持續(xù)工作時間達到175℃,因此含SiC的塑封壓鑄模封裝比壓鑄模IGBT模塊進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VE-TracTM Direct IGBT和VE-TracTM Direct SiC進行仿真對比,它們提供同樣的輸出功率時,VE TracTM Direct SiC的結(jié)溫比VE TracTM 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-TracTM SiC?
SiC在MOSFET中的應(yīng)用已超過10年,卻沒有被汽車廠商廣泛用于主驅(qū)方案中,是因為面臨SiC比硅基IGBT的成本高、供貨和供應(yīng)、實施困難、技術(shù)成熟度、封裝不適合主驅(qū)方案等多個挑戰(zhàn)。
安森美在SiC領(lǐng)域的歷史可追溯到2004年,近年又收購了上游SiC供應(yīng)企業(yè)GTAT,實現(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、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,安森美也有很強的技術(shù)和系統(tǒng)知識,為客戶提供全球的應(yīng)用支持。GTAT工藝的主要優(yōu)點之一是其SiC能提供非常精確的電阻率值, 且其整個晶體的電阻率分布非常均勻。此外,安森美正推進6英寸和8英寸SiC晶體生長技術(shù),同時還將對更多SiC供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)進行投資,包括晶圓廠產(chǎn)能和封裝線。同時,安森美憑借多年的技術(shù)積累以及幾年前收購Fairchild半導(dǎo)體基因帶來的技術(shù)補充,不斷迭代,其SiC技術(shù)已經(jīng)進入第三代,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-TracTM SiC與VE-TracTM 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)計工作,同時,VE-TracTM SiC沿用了VE-TracTM IGBT的壓接設(shè)計,焊接可靠,可在175℃持續(xù)工作,符合車規(guī)AECQ101和AQG324,功率級可靈活擴展。
VE-TracTM B2 SiC在一個半橋架構(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、強大的短路保護、高阻斷電壓和高工作溫度,在電動車主驅(qū)應(yīng)用中帶來領(lǐng)先同類的性能。
圖5:VE-TracTM B2 SiC價值定位
未來的產(chǎn)品和800 V電池的優(yōu)勢
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優(yōu)先采用800 V架構(gòu)。
總結(jié)
SiC將改變電動車的未來。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)逆變設(shè)計的VE-TracTM Direct SiC和VE-TracTM 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,電池更小,加上技術(shù)團隊提供的應(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),并推進電動車從400 V向800 V發(fā)展。未來,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-TracTM模塊,賦能更強大可靠的汽車產(chǎn)品,幫助加快市場采用電動車,并使未來的交通邁向可持續(xù)發(fā)展。
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