碳化硅器件在车用电驱动系统中的应用与发展趋势

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

Ⅰ.碳化硅器件应用概述

1.1 碳化硅与功率模块的关系

碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。

自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒,并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中,在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。

如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体,在电动汽车中主要以IGBT和MOSFET模块的形式存在于各种控制器当中。

以SiC为基础晶元材料的电子器件,我们统称“碳化硅器件” 。


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▲碳化硅


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▲IGBT晶圆


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▲晶圆应用到电机控制器

1.2 IGBT功能介绍

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 全称“绝缘栅双极型晶体管”,是一种大功率的电力电子器件,主要用于电机控制器逆变和其它逆变电路,将直流电压逆变成频率可调的交流电。

对于电动车而言,IGBT 直接控制驱动系统直、交流电的转换,同时对交流电机进行变频控制,IGBT的好坏直接决定了车辆的扭矩和最大输出功率。

MOSFET与IGBT的功能类似,一般在较低功率及较高频率应用(即功率<1000W及开关频率≥100kHz)中表现较好,IGBT则在较低频及较高功率设计中表现卓越。


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▲IGBT模块


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▲碳化硅MOSFET

1.3 IGBT在电机控制器中的成本比重

通过对电机控制器成本结构的分析,可见目前IGBT模组占据了电机控制器接近40%的成本,除去其是核心部件本身成本比较高的原因外,另外一个很重要的原因在于国内车用高功率半导体主要被外资厂商所占据,如:英飞凌、三菱、仙童、东芝、富士、SEMIKRON、Hitachi 等。

国内只有比亚迪和中车时代在做IGBT的研发,2018年12月10日比亚迪发布了优于当前市场主流产品的IGBT4.0版,令国人振奋不已。


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▲电机控制器爆炸图


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▲电机控制器成本结构

1.4 电机控制器在整车中的成本比重

  • 2018年1-11月,国内新能源汽车电机控制器累计装机量超过了105.4万套,比上年同期增长63.6%,爆发出强劲的市场潜力。

  • 根据美国阿贡实验室的评估报告,电动汽车电机控制器约占整车生产成本的9%,是除却动力电池外成本支出最高的电动系统零部件。


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1.5 电机控制器技术发展目标

参考美国能源部发布的《电力电子发展路线图》,到2025年新能源汽车电机控制器及功率模块需要达到如下指标:

  1. IGBT功率模块占控制器总成本要降到23%(现在是37%);

  2. 单位功率密度增长到100kW/L,要比2020年技术目标13.4kW/L减少87%的体积;只有应用新材料才可能实现这个目标,看好SiC控制器前景。

  3. 控制器总成成本比2020年目标3.3$/kW下降18%,达到2.7$/kW。


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1.6 功率半导体芯片材料性能对比上

SiC器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率,适于在恶劣条件下工作。特别是与传统的硅器件相比,目前已实用的SiC器件可将功耗降低一半。

由此将减少设备的发热量,从而可大幅度降低电机控制器的体积和重量。在相同功率等级下,碳化硅功率模块的体积可缩小至硅基IGBT模块的2/3-1/3。

可将开关损失降低85%,可实现100kHz以上的高速开关,提高开关频率将显著的减小电感器、电容器等周边部件的体积和成本。散热处理也更加容易进行,可以实现电机控制器与电机的一体化。


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1.7 功率半导体芯片材料性能对比下

  • SiC是电力电子的下一代半导体材料的主力军!将开启电力电子系统在效率、高温、功率和高压上的新时代。

  • 从目前收集到的行业信息看,只有应用SiC宽禁带半导体材料,才可能达到电机控制器100kW/L的功率密度指标,为电动汽车行业的发展带来革命性的品质提升。现今,SiC器件在主电机驱动上面临的最大问题是成本太高,相当于Si基IGBT的5到10倍。今后几年,Si基IGBT仍然将发挥主要作用。


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1.8 碳化硅器件的市场环境


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2018年1-11月,新能源汽车累计产销分别完成105.4万辆和103万辆,比上年同期分别增长63.6%和68%。

得益于新能源汽车市场的快速增长,新能源IGBT需求呈现出爆发式增长,预计2025年车用IGBT需求量将占总体需求量50%左右。

Ⅱ.车用碳化硅器件发展趋势

2.1 碳化硅器件在电动汽车上的优势


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2.2 碳化硅器件对电机设计的意义

电机通过增加极对数能使其定子端部尺寸大大减小,增加极对数后需要功率模块的开关频率增加,而传统的硅基功率模块的开关频率通常最大为10-12kHz,SiC 功率模块的开关频率可以更高,而且开关损耗小,结温高。


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▲应用Si功率模块电的机尺寸


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▲应用SiC功率模块的电机尺寸

2.3 碳化硅芯片需要匹配其它部件


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2.4 碳化硅功率模块研发现状

各大电子厂商均在发力车用碳化硅器件的研发,都推出了样品模块可供研发验证。但批量供货的很少,原因一是产能受限导致的价格昂贵;二是产品缺乏足够的试验验证,没有完全定型;三是电力电子厂家安享既得利益,对新技术推动瞻前顾后,患得患失。


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▲国内IGBT产业链相关企业


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▲英飞凌SiC模块


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2.5 比亚迪车用IGBT的崛起


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在前不久的IGBT 4.0技术解析会上,比亚迪宣布,已经成功研发了SiC MOSFET(汽车功率半导体包括基于硅或碳化硅等材料打造的IGBT或 MOSFET等),有望于2019年推出搭载SiC电控的电动车。

预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代,将整车性能在现有基础上再提升10%。

比亚迪IGBT 4.0代电流覆盖了从25到200A,标准型开关频率是1K~16KHZ,快速型为16K~25KHZ,可应用于汽车牵引动力驱动、车用空调变频与制热、汽车转向助力系统、工业感应加热电器、电焊机、电机控制器等。

2.6 车用功率模块常规封装规格


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2.7 车用驱动模块冷却技术发展历程


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2.8 IGBT模块双面冷却实例


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2.9 碳化硅电机控制器研发进展


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Ⅲ.发展碳化硅器件要攻克的关键技术

3.1 SiC封装科研方向


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3.2 高温封装技术


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3.3 提高可靠性的封装工艺改进目标


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IGBT封装工艺改进的目标主要集中在3大方面:

  • 芯片之间的互联技术:研究高可靠性的引线键合工艺或无绑定线工艺

  • 芯片焊接技术:研究新型的焊料或固态焊接工艺,延长芯片焊层的疲劳寿命

  • DBC衬底及底板:研究更高可靠性的衬底焊接工艺及更高效的底板散热技术


3.4 纳米银焊膏烧结技术


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3.5 平面型封装要求


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3.6 高效散热技术介绍


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3.7 大数量芯片模块布局设计


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Ⅳ.碳化硅电机控制器开发

4.1 碳化硅高密度电机控制器开发流程


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4.2 碳化硅器件降低成本的技术路线


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4.3 碳化硅电机控制器优化流程图


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4.4 碳化硅控制器其它拓扑介绍


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4.5 推荐拓扑对应的PWM控制算法


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4.6 碳化硅高温驱动开发方法

针对高温门极驱动技术不成熟、开关速度降低、无电气隔离和抗扰能力差等问题,优化驱动电路并协同芯片温度监控与保护。


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4.7 碳化硅器件系统温度隔离设计


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模块中集成温度隔离区和驱动电路


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4.8 碳化硅电机驱动可靠性预测模型

针对电动汽车的实际工作环境, 充分研究所经受的各种应力的严酷度,基于实际情况开展高温、高湿、振动、温变等复杂条件下SiC电机驱动的可靠性评估方法,并保证评测方式的实用性。


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▲功率循环寿命预测模型

全文结束,下面是PPT版本:


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