碳化硅器件在車用電驅動系統中的應用與發展趨勢

2019-10-04 17:14:14 Westpac Electronics

Ⅰ.碳化硅器件應用概述

1.1 碳化硅與功率模塊的關系

碳化硅(SiC)俗稱金剛砂,為硅與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物,碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。

自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化硅顆粒,并可將之用于諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中,在諸如發光二極管、早期的無線電探測器之類的電子器件制造中也有使用。

如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導體,在電動汽車中主要以IGBT和MOSFET模塊的形式存在于各種控制器當中。

以SiC為基礎晶元材料的電子器件,我們統稱“碳化硅器件” 。


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▲碳化硅


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▲IGBT晶圓


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▲晶圓應用到電機控制器

1.2 IGBT功能介紹

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 全稱“絕緣柵雙極型晶體管”,是一種大功率的電力電子器件,主要用于電機控制器逆變和其它逆變電路,將直流電壓逆變成頻率可調的交流電。

對于電動車而言,IGBT 直接控制驅動系統直、交流電的轉換,同時對交流電機進行變頻控制,IGBT的好壞直接決定了車輛的扭矩和最大輸出功率。

MOSFET與IGBT的功能類似,一般在較低功率及較高頻率應用(即功率<1000W及開關頻率≥100kHz)中表現較好,IGBT則在較低頻及較高功率設計中表現卓越。


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▲IGBT模塊


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▲碳化硅MOSFET

1.3 IGBT在電機控制器中的成本比重

通過對電機控制器成本結構的分析,可見目前IGBT模組占據了電機控制器接近40%的成本,除去其是核心部件本身成本比較高的原因外,另外一個很重要的原因在于國內車用高功率半導體主要被外資廠商所占據,如:英飛凌、三菱、仙童、東芝、富士、SEMIKRON、Hitachi 等。

國內只有比亞迪和中車時代在做IGBT的研發,2018年12月10日比亞迪發布了優于當前市場主流產品的IGBT4.0版,令國人振奮不已。


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▲電機控制器爆炸圖


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▲電機控制器成本結構

1.4 電機控制器在整車中的成本比重

  • 2018年1-11月,國內新能源汽車電機控制器累計裝機量超過了105.4萬套,比上年同期增長63.6%,爆發出強勁的市場潛力。

  • 根據美國阿貢實驗室的評估報告,電動汽車電機控制器約占整車生產成本的9%,是除卻動力電池外成本支出最高的電動系統零部件。


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1.5 電機控制器技術發展目標

參考美國能源部發布的《電力電子發展路線圖》,到2025年新能源汽車電機控制器及功率模塊需要達到如下指標:

  1. IGBT功率模塊占控制器總成本要降到23%(現在是37%);

  2. 單位功率密度增長到100kW/L,要比2020年技術目標13.4kW/L減少87%的體積;只有應用新材料才可能實現這個目標,看好SiC控制器前景。

  3. 控制器總成成本比2020年目標3.3$/kW下降18%,達到2.7$/kW。


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1.6 功率半導體芯片材料性能對比上

SiC器件耐高溫(工作溫度和環境溫度)、抗輻射、具有較高的擊穿電壓和工作頻率,適于在惡劣條件下工作。特別是與傳統的硅器件相比,目前已實用的SiC器件可將功耗降低一半。

由此將減少設備的發熱量,從而可大幅度降低電機控制器的體積和重量。在相同功率等級下,碳化硅功率模塊的體積可縮小至硅基IGBT模塊的2/3-1/3。

可將開關損失降低85%,可實現100kHz以上的高速開關,提高開關頻率將顯著的減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。散熱處理也更加容易進行,可以實現電機控制器與電機的一體化。


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1.7 功率半導體芯片材料性能對比下

  • SiC是電力電子的下一代半導體材料的主力軍!將開啟電力電子系統在效率、高溫、功率和高壓上的新時代。

  • 從目前收集到的行業信息看,只有應用SiC寬禁帶半導體材料,才可能達到電機控制器100kW/L的功率密度指標,為電動汽車行業的發展帶來革命性的品質提升。現今,SiC器件在主電機驅動上面臨的最大問題是成本太高,相當于Si基IGBT的5到10倍。今后幾年,Si基IGBT仍然將發揮主要作用。


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1.8 碳化硅器件的市場環境


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2018年1-11月,新能源汽車累計產銷分別完成105.4萬輛和103萬輛,比上年同期分別增長63.6%和68%。

得益于新能源汽車市場的快速增長,新能源IGBT需求呈現出爆發式增長,預計2025年車用IGBT需求量將占總體需求量50%左右。

Ⅱ.車用碳化硅器件發展趨勢

2.1 碳化硅器件在電動汽車上的優勢


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2.2 碳化硅器件對電機設計的意義

電機通過增加極對數能使其定子端部尺寸大大減小,增加極對數后需要功率模塊的開關頻率增加,而傳統的硅基功率模塊的開關頻率通常最大為10-12kHz,SiC 功率模塊的開關頻率可以更高,而且開關損耗小,結溫高。


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▲應用Si功率模塊電的機尺寸


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▲應用SiC功率模塊的電機尺寸

2.3 碳化硅芯片需要匹配其它部件


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2.4 碳化硅功率模塊研發現狀

各大電子廠商均在發力車用碳化硅器件的研發,都推出了樣品模塊可供研發驗證。但批量供貨的很少,原因一是產能受限導致的價格昂貴;二是產品缺乏足夠的試驗驗證,沒有完全定型;三是電力電子廠家安享既得利益,對新技術推動瞻前顧后,患得患失。


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▲國內IGBT產業鏈相關企業


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▲英飛凌SiC模塊


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2.5 比亞迪車用IGBT的崛起


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在前不久的IGBT 4.0技術解析會上,比亞迪宣布,已經成功研發了SiC MOSFET(汽車功率半導體包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等),有望于2019年推出搭載SiC電控的電動車。

預計到2023年,比亞迪將在旗下的電動車中,實現SiC基車用功率半導體對硅基IGBT的全面替代,將整車性能在現有基礎上再提升10%。

比亞迪IGBT 4.0代電流覆蓋了從25到200A,標準型開關頻率是1K~16KHZ,快速型為16K~25KHZ,可應用于汽車牽引動力驅動、車用空調變頻與制熱、汽車轉向助力系統、工業感應加熱電器、電焊機、電機控制器等。

2.6 車用功率模塊常規封裝規格


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2.7 車用驅動模塊冷卻技術發展歷程


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2.8 IGBT模塊雙面冷卻實例


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2.9 碳化硅電機控制器研發進展


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Ⅲ.發展碳化硅器件要攻克的關鍵技術

3.1 SiC封裝科研方向


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3.2 高溫封裝技術


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3.3 提高可靠性的封裝工藝改進目標


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IGBT封裝工藝改進的目標主要集中在3大方面:

  • 芯片之間的互聯技術:研究高可靠性的引線鍵合工藝或無綁定線工藝

  • 芯片焊接技術:研究新型的焊料或固態焊接工藝,延長芯片焊層的疲勞壽命

  • DBC襯底及底板:研究更高可靠性的襯底焊接工藝及更高效的底板散熱技術


3.4 納米銀焊膏燒結技術


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3.5 平面型封裝要求


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3.6 高效散熱技術介紹


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3.7 大數量芯片模塊布局設計


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Ⅳ.碳化硅電機控制器開發

4.1 碳化硅高密度電機控制器開發流程


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4.2 碳化硅器件降低成本的技術路線


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4.3 碳化硅電機控制器優化流程圖


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4.4 碳化硅控制器其它拓撲介紹


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4.5 推薦拓撲對應的PWM控制算法


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4.6 碳化硅高溫驅動開發方法

針對高溫門極驅動技術不成熟、開關速度降低、無電氣隔離和抗擾能力差等問題,優化驅動電路并協同芯片溫度監控與保護。


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4.7 碳化硅器件系統溫度隔離設計


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模塊中集成溫度隔離區和驅動電路


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4.8 碳化硅電機驅動可靠性預測模型

針對電動汽車的實際工作環境, 充分研究所經受的各種應力的嚴酷度,基于實際情況開展高溫、高濕、振動、溫變等復雜條件下SiC電機驅動的可靠性評估方法,并保證評測方式的實用性。


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▲功率循環壽命預測模型

全文結束,下面是PPT版本:


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