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碳化硅元件展妙用 汽车电子效率/功率大增

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来源: 新电子   发布者:新电子
热度1票   时间:2018年7月10日 04:45
汽车电动化趋势正稳定成长,因此插电式油电混合车和全电动车(xEV)需要高效率的功率半导体。相较于传统硅(Si)芯片,碳化硅(SiC)的优点不仅能应用在工业,亦能应用于汽车产业中。随着SiC效率与功率密度的增加,汽车能更高度的自动驾驶化(电池体积更小)、系统的大小与重量减少、充电速度加快,最终能让更多客户接受电动交通。由于技术进步,SiC半导体在xEV子系统的渗透率将在未来十年内提高。

目前功率模组与独立元件一般采用硅基二极体、MOSFET与IGBT。相较之下,xEV传动系统中的SiC电路能让芯片有相同的额定功率,但尺寸更小。此外,SiC技术能减少热损耗,这意味着与过去的系统相比,应用此技术的元件会更有效率,且更为轻巧。在应用上,因SiC的优点而受益的元件有主变频器、内部充电器电子元件、升压器或DC-DC转换器(图1)。

图1 SiC芯片特别适用于要求严格的xEV子系统,如主变频器、内部充电电子元件,以及DC-DC转换器。

克服可靠性/成本挑战 SiC准备应用至车辆中
过去二十多年来,SiC半导体元件已应用于各种用途中,但若要应用在汽车电子上,仍有一些障碍须要克服。为了能够有效地将这项新技术也应用在车辆上,必须满足以下两个主要层面:高可靠性及成本效益。

多年以来在采用SiC MOSFET切换的情况下,无法开发出可靠的闸极成为了主要障碍。近期在设计(例如沟槽概念)与制程上的突破,已让装置符合汽车制造商所要求的可靠性等级。

此外,SiC基本材料的生产(晶圆)更加复杂,导致晶圆尺寸变小(图2)、每晶圆瑕疵数增加及成本提高。虽然生成的硅晶体纯度高,但SiC晶圆的瑕疵密度已成一大挑战。但近年来有了重大进展,瑕疵密度已大幅降低,最终可达成更大的芯片面积,因而减少整合到功率封装中的难度。

图2 硅与SiC晶圆尺寸比较
在过去,大多数的SiC供应商为规模小、专精于半导体的制造商,但产量相对较少,且对汽车产业的经验不足。因此,规模经济有限。但是现在这种情况已经发生根本性的变化。高品质的6吋SiC晶圆大幅改善生产力。汽车市场对于SiC需求的成长潜力,已经成为半导体大厂投入此市场的极具吸引力的原因,目前的市场报告更肯定了这项趋势。

SiC MOSFET有效减少变频器三分之二热损耗
与传统的硅基高电压IGBT或MOSFET(>600V)相比,SiC装置有数项优点。例如,与IGBT相比,SiC MOSFET显示无轨迹效应,几乎无正复原,亦无逆复原。这造成不受温度影响的切换损耗也远低于硅(图3a)。

SiC萧特基二极体在这方面也引起注意。高切换速度或极低的逆复原电荷(Qrr)减少了切换损耗,并且有效地精简最终产品,SiC萧特基二极体适用于内部充电器系统中的功率因数校正(PFC)电路。

除了展现低切换损耗外,SiC MOSFET在传导损耗上也有数项优点。事实上,与IGBT的类二极体特性相比,它们表现出类电阻的输出特性。这种无临界值导通特性让部分负载范围中的传导损耗更少(图3b)。

图3 与传统硅IGBT相比,新款的CoolSiC Trench MOSFET提供无临界值导通特性(右侧图b),并显著降低切换损耗(左侧图a)。
SiC MOSFET的基本优点使其非常适合在内部充电器或DC-DC转换器中运作,这些充电器或转换器由于更高的切换频率,可使用更小的被动元件。

这些优点也使其适用于变频器应用,因为变频器切换频率一般低于20kHz。在此效率基本上由部分负载的运作所决定。SiC MOSFET可减少变频器的平均热损耗达三分之二。

提升封装技术达高功率密度
为了充分利用SiC芯片的效能,功率模组需要相应最佳化的封装技术。功率密度愈高,则不仅须要改善封装材料,还须要考量到芯片愈小将导致热阻愈高,因而使热机械压力更高。

此外,为能够完全利用SiC MOSFET的快速切换功能,也需要寄生电感低的封装。这便需要新颖的功率模组封装概念。现代化的封装概念及双侧散热可用于最佳化装置的热阻,例如英飞凌的功率模组HybridPACK DSC(双侧散热)。此模组具备有效的双侧散热,因此可大幅减少系统层级的热阻Rth(图4),如此一来便可设计出极高功率密度的变频器。

图4 采用双面冷却的创新封装概念(指HybridPACK DSC),实现高效率且精巧的功率模组。
SiC MOSFET能够实现非常精巧且高效率的变频器,在相近条件下,与IGBT型变频器相比,SiC MOSFET能大幅缩小芯片面积;由于芯片损耗减少,不同驾驶场景的效率提高了3%以上,尤其是在有大量加速阶段的城市交通中。

缩小芯片面积 SiC MOSFET降低成本
当考虑到变频器效率时,应该注意两个方向的能量流,分别为产生扭力时从电池到方向盘,以及能源复原(回收)期间从方向盘回到电池。

因此,变频器的效率对电池型全电动车至为重要,因为它直接影响到可达范围或确保某个范围时所需的电池尺寸。由于电池是关键的成本因素,因此电池芯若能减少5%到10%,可使电池输出功率超过40kWh的系统成本大幅降低。

硅不像SiC能够有效地支援高崩溃场强度。标准1200V IGBT的损耗远远大于600V级别的损耗,而1200V SiC MOSFET能够在850V范围内更高的电池电压下高效率地运作。

这使得SiC特别适用于亦允许快速充电应用的架构中。透过目前正在开发的充电站基础设施,80kWh的电池在短短15分钟内就能充电至80%,这表示推动电动车的最大障碍之一将会消除。

SiC发展日渐普及
虽然SiC材料比硅贵,却能显著地增加功率密度。在指定的功率需求下,半导体内容可减少到系数5。像是英飞凌一开始就以150mm(6吋)晶圆制造其沟槽型SiC MOSFET。考虑到系统层级的优点,例如更精巧的设计、更少的冷却作业、更轻的系统、更高的效率,SiC在其首次应用中已经具有竞争力。

越来越多的系统制造商(第1层)和汽车制造商(OEM)依赖SiC进行未来的开发。因此,英飞凌也计划透过其1200V CoolSiC MOSFET,达到新的效率与效能水准;像是针对功率模组HybridPACK Drive CoolSiC(图5)进行的研究证明了精巧的变频器在850V时提供超过200kW功率的可行性。

图5 HybridPACK Drive CoolSiC功率模组原型
(本文作者为英飞凌电动传动部门首席工程师)


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