电动车 -新能源汽车功率器件的关键技术和发展趋势

1新能源汽车的发展对新型功率器件的需求基半导体到SiC、氮化镓的转换，SiC的性能非常好，但是很难用，可靠性方面也是很大挑战。新能源汽车进入全面的市场化拓展期，尤其对碳化硅功率部件的需求，包括碳化硅模同时从工业生产机器人到酒店服务机器人，人企业带来价值服务的机器人，对于功率器对功率半导体的性价比要求越来越高，特斯拉宣布降源车同步调价，加上传统燃油车也降价对新能源汽车新能源汽车对电力电子部件技术发展的需求：从主机厂的角度，功率器件还是在围绕杂感、热阻、从整车端需求来看，实际上需求是层层分解，从整车端、到功率部件端，整车性能需求包括高品质、低噪音压，下探到功率系统就有相对高集成、高效率、低噪音需求，再分解到功率器件和芯片端就向低杂感、低热阻纯电动汽车能耗分布，图片来源：复旦大学张清纯功能和性能的核心载体件以及成本的权重件，能源汽车电驱电源这些功率系统电能转换的核如何把SiC从器件层面和材料特性方面的优点转化为整个系统的优点，需要提升从SiC封装到整个器件特性再到从应用端技术需求上来看，为了适配这种电力电子给的改变，尤其像碳化硅，有几个维度去做相应的应用需求的匹配，比如驱动的匹配技术，尤其是用了碳化硅之后，抗扰的驱动技术，SiC目前的良率还没有办法支撑三年百万级的需求另外SiC的器件现在市场上有一些新的变动，像特应用层面来讲，碳化硅的速度开得特别快，快的话有优点了，但是也很难用，可以理解成以前的硅基半导体是粗放型器件，刻，但如何实现高速高可靠的驱动保护非常关键，很新能源汽车电驱动系统的主要特点是负载的不固定，车，设计的时候必须按照150kW峰值设计，实际应用的而应用的时候是按照小功率去应用，所以就导致了SiCMOSFE性器件比硅的双极性器件有优势，在小电流的时候没主流SiC功率器件类型，图片来源：复旦英飞凌做了一个测算，总体来说SiC比硅基贵，但能源汽车里得到广泛应用。新能源汽车对SiC第二个要求是可靠性要高，因为汽车里面温度冲击或者正常一台车使用6～8年，半导体迭代速度比这个快，功率模块的发展历程，图片来源：苏州住友电木陈明涵2功率器件的技术发展趋势功率器件的性能方面，关注的首先是损耗、第热。损耗方面致力于如何切换更快，在某个区间配切换速度的策略可以应用碳化硅、氮化镓，可以动态调节参数，碳化硅跟原来的硅基对比，3个主要特点：①击穿电压达倍；②禁带宽度为硅基的3倍，热传导系数也能够达到硅碳化硅半导体3个优势：①碳化硅温阻，有效降低比导提高效率、减少损耗；②平面栅和沟槽栅的使用；③晶圆的生产，硅基是双极型器件，关断的时候需要复位时间，会有拖尾的生，会造成关断的损耗，而作为单极性的碳化现代汽车实测数据可以看到，最大效率提升汽车用半导体器件的行业趋势是功率密度越来越大到55μm左右，1200V跟1300V的从最早的170μm降到现在的1微米左右。现在在开发新产品里面，有往1700V功率器件技术发展趋势：①SiC功率半导体模块希望能够开关更快；②芯片的并联，在很长时间里，芯片并联仍然存在问题性，高通过银烧结、铜烧结方式提升；④发展方向方面成无基板的形式，类似于特斯拉这种直接焊接到散热器线可靠性不高的情况下，可以在表面用焊接或烧结的方用键合线；⑥双面冷却，对于系统设计要求太高，系统从功率的角度，10kW以下功率更多是单管并联的形kW用模块封装形式会居多。如果希望通过分立器件、单管、半桥也各有优势，24只半桥大功率器三电平在新能源发电、光伏、储能、风电都有很成熟的批量应用，三电平理论上器件承受一半的直流电压，使用耐压更低的功率器件，另外能够把谐波降低，电磁干扰也会大幅减小领域很成熟，在车规领域还没有尝试，它的劣势是制方式更多，驱动单元也会更多，外部成本会增加外减少线束的成本，总体重量减轻，以及节省空间。另800V最重要的推进力是快充，因为充电的功率是电流乘以电压，特斯拉比较特立独行，建立了超充网络，一直没做800V平台前充电桩以400V为主，特斯拉做800V会增加很大的成本，架构都需要去更新，所有高压部分都要做800V兼容，实际于复用了逆变器里的功率模块以及电机的绕组，让他们去转换，实现400V到800V的升压功能进行充电，电驱可以实的升压功能。广汽研发了电池总线电压升降开关矩阵技术，整车400V架构下的800V急速充电，破除了整车电压平台对YOLE认为，800V平台技术比较适合高端品牌、高端车型的定位，所以800V从未来的几年时间或者相当长一段时间型、高端品牌为主。400V车型还有相当的比例，而且对场来说，对于低价电动车型都有需求，这个需求更容易通过积，1200VSiC面积大概少40%左右，或者从另外一个角度上来说，同样的SiC面积，用1200VSiC器件，800V平台50%功率，从整个系统的效率来说，400V系统电压等级在高压高但是800V不管在低速和低电流区域还是在高速（4）特斯拉在功率器件方面的一些创新应用角度分析，如果特斯拉model2车型定价250基器件可以大大降低碳化硅的量；特斯拉之前是跟跟很多其他的供应商进行接触，这是希望通过段方面，混合模块也是一个方向；从平面型、特斯拉实现75%的SiC用量降低的几种可能途径，图片来源：Y硅和碳化硅的混合器件整车上还没有用过，在电力电子里面新东西。混合器件的开关时序需要非常好的控时候拖尾电流比较严重，而混合器件叠加起来式，采用了非直接的冷却方式，第二代器件单面冷却到双面冷却，第二，为了实现双面碳化硅有很好的性能，但因为技术非常新，所以实际分都应用的是硅的东西，封装技术和可靠的参照标准都是用硅的，为辅助开关器件并联组成的Si/SiC混合器件实现逆变器的高与同规格的SiCMOSFET相比，Si/SiC混合器的矛盾问题，它的成本低于SiC器件，但其效率却可以接近SiC器件。YOLE杨宇博士：国厂商将会有大量产能上线；模块封装非常关键，器件需要更有针对性的方案；全产业链降本必不可少；晶棒从功率模块散热的角度来说，怎样提高热交换效率、和制造成本，封装需要解决电的连接可靠性的问问题，包括银烧结这些新材料和新工艺的应用，碳化硅使用过程中，因为母线电容、杂感，还有芯片的杂散电容，还有一些对地的电容方面电路就会变得复杂，还有一系列题：①开关应力，要从芯片帮助客户一起调节，包括杂散整；②上下桥的互扰，在碳化硅器件上进行调整；③振荡的问题，设计来调整振荡；④模组的设计要优化均流，任何器件的功率器件的温度是影响性能发挥的关键因素，还有新兴的绝缘材料和工艺技术，以及应用碳化硅之后EMC的匹配，尤其是电驱和整车如何通过最小的代价合理上海电驱动认为，可以通过加装温度传感器，如果出现异常高温，护检测也非常关键。由于本身碳化硅芯片性能非常好是一种很成熟工艺，虽然会带来比较多的集成电容的缺是工艺稳定性和一致性非常好；沟槽的特点因为接触面积更大，电容和迁移会是对SiC进行挖槽，工艺带来一些挑战。受工艺成熟度与稳定性影响，沟槽接近90度的垂直接触面，本身SiC是大功率器折中方式，采用半沟槽部分，右边增加了保护，上进行测试和验证，整体上来说，目前车上主要用的还是平面工艺，沟槽型性价比更高，良率也是跟平面型一个产，工艺挑战大，罗姆认为沟槽有很大的优势延率从实验看上去比平面高得多，目前平面SiCMOS要降低沟槽电阻，迁延率现在没有办法提高，现在把沟槽程度降低，元胞有条形的、有六角形的，六角形目前是阻最低，因为它的构造密度最高。但是也存在英飞凌超级结MOSFET技术：超越了平面制造工艺（结具有多个垂直p-n结的结构。最终实现了在“共享”导通电阻，降低了总导通电阻。与其他这相应地降低了损耗，意味着它不仅价格更加低从产业化来讲，国内平面型MOS已经成熟了，沟槽有几发，工艺很简单。对于电容，主要是通过中叠层结构减少寄生电感，从而降低损耗，提高开关频率。用碳化硅的高频性能很度也很快，带来性能挑战也很大，碳化硅高频情况下EMC整硅片比较便宜，SiC芯片比较贵，大家希望通过封装的散热特斯拉采用的封装方式优点是它的可扩展性比较好，缺点是硅片比较便宜，SiC芯片比较贵，大家希望通过封装的散热能特斯拉采用的封装方式优点是它的可扩展性比较好，缺点是不多，要把里面的参数分类，找到影响动态均流、静态有了这种对于动态不均流的理解以后，也对PROTE从模块和布局，其实两个有不同的并联方式，合肥工对并联芯片来说，所有芯片并联起来必须汇聚4功率器件的产业化情况从市场来说，包括碳化硅在内的功率器件都在大量碳化硅功率半导体市场空间测算，图片来源：复旦大学张清纯现在碳化硅更多应用在OBC和DC-DC上，国产化的机厂应用目前还是试验验证阶段，可能还需要1～功率器件从应用端的需求来看，像丰田为代表绑定来实现全产业链的资源布局介入，再有就是像特斯拉和比亚迪，英飞凌、罗姆以及安森美等公司分别通过不