電動車 -新能源汽車功率器件的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢

1新能源汽車的發(fā)展對新型功率器件的需求基半導(dǎo)體到SiC、氮化鎵的轉(zhuǎn)換，SiC的性能非常好，但是很難用，可靠性方面也是很大挑戰(zhàn)。新能源汽車進(jìn)入全面的市場化拓展期，尤其對碳化硅功率部件的需求，包括碳化硅模同時(shí)從工業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人到酒店服務(wù)機(jī)器人，人企業(yè)帶來價(jià)值服務(wù)的機(jī)器人，對于功率器對功率半導(dǎo)體的性價(jià)比要求越來越高，特斯拉宣布降源車同步調(diào)價(jià)，加上傳統(tǒng)燃油車也降價(jià)對新能源汽車新能源汽車對電力電子部件技術(shù)發(fā)展的需求：從主機(jī)廠的角度，功率器件還是在圍繞雜感、熱阻、從整車端需求來看，實(shí)際上需求是層層分解，從整車端、到功率部件端，整車性能需求包括高品質(zhì)、低噪音壓，下探到功率系統(tǒng)就有相對高集成、高效率、低噪音需求，再分解到功率器件和芯片端就向低雜感、低熱阻純電動汽車能耗分布，圖片來源：復(fù)旦大學(xué)張清純功能和性能的核心載體件以及成本的權(quán)重件，能源汽車電驅(qū)電源這些功率系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換的核如何把SiC從器件層面和材料特性方面的優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，需要提升從SiC封裝到整個(gè)器件特性再到從應(yīng)用端技術(shù)需求上來看，為了適配這種電力電子給的改變，尤其像碳化硅，有幾個(gè)維度去做相應(yīng)的應(yīng)用需求的匹配，比如驅(qū)動的匹配技術(shù)，尤其是用了碳化硅之后，抗擾的驅(qū)動技術(shù)，SiC目前的良率還沒有辦法支撐三年百萬級的需求另外SiC的器件現(xiàn)在市場上有一些新的變動，像特應(yīng)用層面來講，碳化硅的速度開得特別快，快的話有優(yōu)點(diǎn)了，但是也很難用，可以理解成以前的硅基半導(dǎo)體是粗放型器件，刻，但如何實(shí)現(xiàn)高速高可靠的驅(qū)動保護(hù)非常關(guān)鍵，很新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是負(fù)載的不固定，車，設(shè)計(jì)的時(shí)候必須按照150kW峰值設(shè)計(jì)，實(shí)際應(yīng)用的而應(yīng)用的時(shí)候是按照小功率去應(yīng)用，所以就導(dǎo)致了SiCMOSFE性器件比硅的雙極性器件有優(yōu)勢，在小電流的時(shí)候沒主流SiC功率器件類型，圖片來源：復(fù)旦英飛凌做了一個(gè)測算，總體來說SiC比硅基貴，但能源汽車?yán)锏玫綇V泛應(yīng)用。新能源汽車對SiC第二個(gè)要求是可靠性要高，因?yàn)槠嚴(yán)锩鏈囟葲_擊或者正常一臺車使用6～8年，半導(dǎo)體迭代速度比這個(gè)快，功率模塊的發(fā)展歷程，圖片來源：蘇州住友電木陳明涵2功率器件的技術(shù)發(fā)展趨勢功率器件的性能方面，關(guān)注的首先是損耗、第熱。損耗方面致力于如何切換更快，在某個(gè)區(qū)間配切換速度的策略可以應(yīng)用碳化硅、氮化鎵，可以動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)，碳化硅跟原來的硅基對比，3個(gè)主要特點(diǎn)：①擊穿電壓達(dá)倍；②禁帶寬度為硅基的3倍，熱傳導(dǎo)系數(shù)也能夠達(dá)到硅碳化硅半導(dǎo)體3個(gè)優(yōu)勢：①碳化硅溫阻，有效降低比導(dǎo)提高效率、減少損耗；②平面柵和溝槽柵的使用；③晶圓的生產(chǎn)，硅基是雙極型器件，關(guān)斷的時(shí)候需要復(fù)位時(shí)間，會有拖尾的生，會造成關(guān)斷的損耗，而作為單極性的碳化現(xiàn)代汽車實(shí)測數(shù)據(jù)可以看到，最大效率提升汽車用半導(dǎo)體器件的行業(yè)趨勢是功率密度越來越大到55μm左右，1200V跟1300V的從最早的170μm降到現(xiàn)在的1微米左右?，F(xiàn)在在開發(fā)新產(chǎn)品里面，有往1700V功率器件技術(shù)發(fā)展趨勢：①SiC功率半導(dǎo)體模塊希望能夠開關(guān)更快；②芯片的并聯(lián)，在很長時(shí)間里，芯片并聯(lián)仍然存在問題性，高通過銀燒結(jié)、銅燒結(jié)方式提升；④發(fā)展方向方面成無基板的形式，類似于特斯拉這種直接焊接到散熱器線可靠性不高的情況下，可以在表面用焊接或燒結(jié)的方用鍵合線；⑥雙面冷卻，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求太高，系統(tǒng)從功率的角度，10kW以下功率更多是單管并聯(lián)的形kW用模塊封裝形式會居多。如果希望通過分立器件、單管、半橋也各有優(yōu)勢，24只半橋大功率器三電平在新能源發(fā)電、光伏、儲能、風(fēng)電都有很成熟的批量應(yīng)用，三電平理論上器件承受一半的直流電壓，使用耐壓更低的功率器件，另外能夠把諧波降低，電磁干擾也會大幅減小領(lǐng)域很成熟，在車規(guī)領(lǐng)域還沒有嘗試，它的劣勢是制方式更多，驅(qū)動單元也會更多，外部成本會增加外減少線束的成本，總體重量減輕，以及節(jié)省空間。另800V最重要的推進(jìn)力是快充，因?yàn)槌潆姷墓β适请娏鞒艘噪妷海厮估容^特立獨(dú)行，建立了超充網(wǎng)絡(luò)，一直沒做800V平臺前充電樁以400V為主，特斯拉做800V會增加很大的成本，架構(gòu)都需要去更新，所有高壓部分都要做800V兼容，實(shí)際于復(fù)用了逆變器里的功率模塊以及電機(jī)的繞組，讓他們?nèi)マD(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)400V到800V的升壓功能進(jìn)行充電，電驅(qū)可以實(shí)的升壓功能。廣汽研發(fā)了電池總線電壓升降開關(guān)矩陣技術(shù)，整車400V架構(gòu)下的800V急速充電，破除了整車電壓平臺對YOLE認(rèn)為，800V平臺技術(shù)比較適合高端品牌、高端車型的定位，所以800V從未來的幾年時(shí)間或者相當(dāng)長一段時(shí)間型、高端品牌為主。400V車型還有相當(dāng)?shù)谋壤?，而且對場來說，對于低價(jià)電動車型都有需求，這個(gè)需求更容易通過積，1200VSiC面積大概少40%左右，或者從另外一個(gè)角度上來說，同樣的SiC面積，用1200VSiC器件，800V平臺50%功率，從整個(gè)系統(tǒng)的效率來說，400V系統(tǒng)電壓等級在高壓高但是800V不管在低速和低電流區(qū)域還是在高速（4）特斯拉在功率器件方面的一些創(chuàng)新應(yīng)用角度分析，如果特斯拉model2車型定價(jià)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應(yīng)商進(jìn)行接觸，這是希望通過段方面，混合模塊也是一個(gè)方向；從平面型、特斯拉實(shí)現(xiàn)75%的SiC用量降低的幾種可能途徑，圖片來源：Y硅和碳化硅的混合器件整車上還沒有用過，在電力電子里面新東西?；旌掀骷拈_關(guān)時(shí)序需要非常好的控時(shí)候拖尾電流比較嚴(yán)重，而混合器件疊加起來式，采用了非直接的冷卻方式，第二代器件單面冷卻到雙面冷卻，第二，為了實(shí)現(xiàn)雙面碳化硅有很好的性能，但因?yàn)榧夹g(shù)非常新，所以實(shí)際分都應(yīng)用的是硅的東西，封裝技術(shù)和可靠的參照標(biāo)準(zhǔn)都是用硅的，為輔助開關(guān)器件并聯(lián)組成的Si/SiC混合器件實(shí)現(xiàn)逆變器的高與同規(guī)格的SiCMOSFET相比，Si/SiC混合器的矛盾問題，它的成本低于SiC器件，但其效率卻可以接近SiC器件。YOLE楊宇博士：國廠商將會有大量產(chǎn)能上線；模塊封裝非常關(guān)鍵，器件需要更有針對性的方案；全產(chǎn)業(yè)鏈降本必不可少；晶棒從功率模塊散熱的角度來說，怎樣提高熱交換效率、和制造成本，封裝需要解決電的連接可靠性的問問題，包括銀燒結(jié)這些新材料和新工藝的應(yīng)用，碳化硅使用過程中，因?yàn)槟妇€電容、雜感，還有芯片的雜散電容，還有一些對地的電容方面電路就會變得復(fù)雜，還有一系列題：①開關(guān)應(yīng)力，要從芯片幫助客戶一起調(diào)節(jié)，包括雜散整；②上下橋的互擾，在碳化硅器件上進(jìn)行調(diào)整；③振蕩的問題，設(shè)計(jì)來調(diào)整振蕩；④模組的設(shè)計(jì)要優(yōu)化均流，任何器件的功率器件的溫度是影響性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素，還有新興的絕緣材料和工藝技術(shù)，以及應(yīng)用碳化硅之后EMC的匹配，尤其是電驅(qū)和整車如何通過最小的代價(jià)合理上海電驅(qū)動認(rèn)為，可以通過加裝溫度傳感器，如果出現(xiàn)異常高溫，護(hù)檢測也非常關(guān)鍵。由于本身碳化硅芯片性能非常好是一種很成熟工藝，雖然會帶來比較多的集成電容的缺是工藝穩(wěn)定性和一致性非常好；溝槽的特點(diǎn)因?yàn)榻佑|面積更大，電容和遷移會是對SiC進(jìn)行挖槽，工藝帶來一些挑戰(zhàn)。受工藝成熟度與穩(wěn)定性影響，溝槽接近90度的垂直接觸面，本身SiC是大功率器折中方式，采用半溝槽部分，右邊增加了保護(hù)，上進(jìn)行測試和驗(yàn)證，整體上來說，目前車上主要用的還是平面工藝，溝槽型性價(jià)比更高，良率也是跟平面型一個(gè)產(chǎn)，工藝挑戰(zhàn)大，羅姆認(rèn)為溝槽有很大的優(yōu)勢延率從實(shí)驗(yàn)看上去比平面高得多，目前平面SiCMOS要降低溝槽電阻，遷延率現(xiàn)在沒有辦法提高，現(xiàn)在把溝槽程度降低，元胞有條形的、有六角形的，六角形目前是阻最低，因?yàn)樗臉?gòu)造密度最高。但是也存在英飛凌超級結(jié)MOSFET技術(shù)：超越了平面制造工藝（結(jié)具有多個(gè)垂直p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)。最終實(shí)現(xiàn)了在“共享”導(dǎo)通電阻，降低了總導(dǎo)通電阻。與其他這相應(yīng)地降低了損耗，意味著它不僅價(jià)格更加低從產(chǎn)業(yè)化來講，國內(nèi)平面型MOS已經(jīng)成熟了，溝槽有幾發(fā)，工藝很簡單。對于電容，主要是通過中疊層結(jié)構(gòu)減少寄生電感，從而降低損耗，提高開關(guān)頻率。用碳化硅的高頻性能很度也很快，帶來性能挑戰(zhàn)也很大，碳化硅高頻情況下EMC整硅片比較便宜，SiC芯片比較貴，大家希望通過封裝的散熱特斯拉采用的封裝方式優(yōu)點(diǎn)是它的可擴(kuò)展性比較好，缺點(diǎn)是硅片比較便宜，SiC芯片比較貴，大家希望通過封裝的散熱能特斯拉采用的封裝方式優(yōu)點(diǎn)是它的可擴(kuò)展性比較好，缺點(diǎn)是不多，要把里面的參數(shù)分類，找到影響動態(tài)均流、靜態(tài)有了這種對于動態(tài)不均流的理解以后，也對PROTE從模塊和布局，其實(shí)兩個(gè)有不同的并聯(lián)方式，合肥工對并聯(lián)芯片來說，所有芯片并聯(lián)起來必須匯聚4功率器件的產(chǎn)業(yè)化情況從市場來說，包括碳化硅在內(nèi)的功率器件都在大量碳化硅功率半導(dǎo)體市場空間測算，圖片來源：復(fù)旦大學(xué)張清純現(xiàn)在碳化硅更多應(yīng)用在OBC和DC-DC上，國產(chǎn)化的機(jī)廠應(yīng)用目前還是試驗(yàn)驗(yàn)證階段，可能還需要1～功率器件從應(yīng)用端的需求來看，像豐田為代表綁定來實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的資源布局介入，再有就是像特斯拉和比亞迪，英飛凌、羅姆以及安森美等公司分別通過不