芯聚能肖鹏:碳化硅功率器件在新能源汽车的应用

NE时代新能源

阅读 1530    更新于2022-09-30 13:50:00

2022年9月21-22日,由NE时代主办,巨力自动化总冠名,巨一动力、中车时代电气、华域电动、上海电驱动战略合作,华为数字能源、智新科技生态合作的“2022(第二届)全球xEV驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

在22日的分论坛上,芯聚能半导体应用高级经理肖鹏分享了碳化硅功率器件在新能源汽车的应用,对功率模块的可靠性进行了非常全面、深入的讲解。而且,芯聚能的碳化硅功率模块已经应用到了多款车型。

以下为现场实录:

今天我分享的主题是《碳化硅功率器件在新能源汽车的应用》。由于碳化硅本身材料的特性,决定了它可以在高温、高压以及高频的应用条件下具有一些天然的优势。

如图所示是全球碳化硅行业的分析,它分析了2020~2021年全球top6功率器件的厂商,大力地发展碳化硅功率器件。排名中,欧洲占了2家,北美占了2家,亚洲占了2家。第一名是ST,它拿到了特斯拉的订单,所以它的市场占有量非常大。

什么样的市场对于碳化硅的需求这么大?如图所示,这个报告分析了碳化硅市场占有量。2020年市场占有量达到了10.9亿美金,2027年达到62.97亿美金,翻了6倍左右。在众多占有量当中,有各种各样的应用领域,比如工业级的、消费级的,还有电动汽车,其中电动汽车占有量非常大。为什么工业汽车占有量非常大?在电动汽车上使用碳化硅功率器件以后,可以在系统上形成成本的优势,与其配套的快速充电站、光伏、储能也可以有得天独厚的优势。

碳化硅在新能源汽车当中的应用有两方面,第一是车载充电机,第二是主驱逆变器。如图所示是新能源汽车当中可能会用到的功率器件的功能单元,比如空气压缩机、无线充电器、快速充电站、DC/DC等等。

介绍一下碳化硅在OBC当中的应用,我们简单介绍一下,按照功能来划分的话,OBC分为单向的OBC和双向的OBC。如图所示,双向OBC从AC端到滤波器,再到AC/DC,再到DC/DC,这里面用到的功率器件一个是AC/DC以及DC/DC的部分,如果想提高OBC的性能或者提高它的效率,我们在车载要求对于OBC的要求越往集成化、小型化,以及高效率方面去设计。用碳化硅器件做设计的OBC肯定是最有价值的。

如图所示是典型的OBC的应用电路。举一个例子,如果往220V输入的话,再到PFC,在DC/DC的圆边和辅边可以用650V的MOS,提高功率的话,进线380伏,PFC升压以后高于400V,650V也不是不能用,而是可以进行串联或者三电平的方式做设计,但是如果用这样的方式,首先它的功率器件会增加,其次配套驱动芯片、外围电路也会增加,从成本上、数量上电路会复杂,如果用1200V碳化硅MOS,就可以完全解决这样的问题。

如图所示是我们提出的我们认为的观点,双向OBC可以帮助电动车成为储能的载体,并且双向OBC可以实现能量的双向联动,向能耗要效益。电动汽车电能储能的运营在未来是一个储能的发展趋势。

碳化硅为什么适合在800V的主电机控制器上应用?如图所示,横坐标是电机输出功率,纵坐标是功率器件的通态损耗。很多整车厂朋友知道,90%的行车工况在主驱电机额定功率30%以内,拿150千瓦这样一个横坐标的值来看一下,最上面那条曲线是我的低压硅基的损耗,中间是高压的通态硅基损耗。碳化硅高压损耗非常小,在800V应用上,效率可以提升到6%~8%左右。如果效率降低1%的话,可以省一度电池,而且一度电池现在市价700~800元左右,可以降低电机控制器的成本。

接下来介绍一下碳化硅在主驱逆变器上的应用。如图所示,这是代表了通态损耗,在中小功率下,对应的中小电流情况下,对于碳化硅MOS通态损耗非常低,右边是在一定条件下,比如485V、780安开关损耗的对比。碳化硅MOS开关损耗比硅基降低大概60%左右。右边是标准封装的HPD,它可以配置不同的芯片数量,可以组成不同的功率等级,表现最明显的是在MOS效率map上高效区面积最大。

说了这么多碳化硅的优点,碳化硅也会给我们带来一些测试和应用上的挑战。首先碳化硅器件开启电压非常低,大概2~3伏左右,硅基可以到达7~8伏。我们设计拓扑的时候,上下桥臂容易产生上下串扰,对于驱动很有挑战。另一方面,功率器件开关速度非常快,表现在di/dt过高,能到接近两三万的等级。我们在设计开关器件的时候,整个系统的杂散电感一定会有,大概20~30nH左右,di/dt乘杂散电感就是电压应力,超过安全工作区可能就存在失效的风险了。

下面介绍一下碳化硅模块的设计和可靠性。我从四点进行分析:

(一)封装设计上。比如功率、热阻、损耗、杂散电感以及最高结温等等这些,来作为一个平衡指标进行模块的开发与设计。传统的IGBT可以用铝键合工艺,可靠性、功率循环次数可以达到四万次左右,对于碳化硅器件来说,碳化硅比较薄,表面非常硬,表现出来的就是碳化硅芯片是非常光滑的,所以用传统的铝/铜键合工艺无法把性能发挥出最好。芯聚能也会采用几种方案,一种是铜框架,第二种铝箔、铜箔的方案。这种方案好处在于,如果电机转速非常低的情况下,如果采用了Clip方案,它和芯片表面之间相当于很大的电容,这个电容会吸收结温波动,有很好的可靠性的效果。

(二)封装工艺。我们做验证和测试当中,我们发现,传统的芯片与陶瓷之间是通过焊锡连接的,焊锡测试过程中可能会产生分层,它可能会导致失效,成为失效的风险点。碳化硅采用了银烧结工艺,这种工艺有有压的,也有无压的,采用银烧结工艺一方面可以提高可靠性、寿命,另一方面可以减少热阻。芯聚能在模块开发过程中,对于杂散电感的优化做了很多工作,踩了很多坑。我们以前也是从平面型的封装结构,到立体封装结构,同时从薄膜叠层,到铜排DBC叠层。

(三)封装可靠性。对于碳化硅来说,可靠性验证越来越严苛,如图所示。原来硅基器件老化的时候可以按照125~150摄氏度,新型碳化硅器件可以达到150~200摄氏度。其次是振动条件,原有的硅基器件正常频率加速度,新型的碳化硅器件模块带驱动板,参考零部件频率加速度,原有硅基的循环寿命只是4~5万次,结温按照150摄氏度,新型碳化硅器件循环寿命可以达到5~6万次,甚至到10万次,结温在175摄氏度。

(四)芯片可靠性。在碳化硅材料上的缺陷,也可能引起失效的问题。标准的4H结构生长出来的衬底或者外沿,这是我们理想性的。很多文章写到,关于它的失效点,这个失效点典型的例子就是BPD,如果在功率循环或者在高低温循环做测试的时候,可能碰到它了,就会产生模块的失效。芯聚能会在芯片级做老化筛选,剔除老化的缺陷。

接下来介绍一下芯聚能半导体在碳化硅模块的进展。芯聚能半导体在广州南沙,我们2018年11月份成立,虽然我们公司很年轻,但是我们的技术团队有15年以上的外资研发背景,注册资本1.6亿人民币,占地面积60亩。芯聚能半导体主要是做新能源汽车的碳化硅功率模块以及分离器件,以及IGBT功率器件。

2022年对芯聚能来说是可喜的一年,我们的模块除了比亚迪以外是国内第二家量产的模块。吉利和奔驰共同研发的smart精灵1号,2022第一季度已开始量产交付。同时搭载我们模块的是右边的车型,2022年年底会量产交付。

如图所示是我们的产业园,右边是芯聚能半导体,这边是我们的产业园区。左边的芯粤能半导体,主要做晶圆制造的Fab厂,总的来说我们公司主要是IDM的公司。谢谢大家!

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