【導讀】雙碳目標正加速推進(jìn)汽車(chē)向電動(dòng)化發(fā)展，半導體技術(shù)的創(chuàng )新助力汽車(chē)從燃油車(chē)過(guò)渡到電動(dòng)車(chē)，新一代半導體材料碳化硅(SiC)因獨特優(yōu)勢將改變電動(dòng)車(chē)的未來(lái)，如在關(guān)鍵的主驅逆變器中采用SiC可滿(mǎn)足更高功率和更低的能效、更遠續航、更小損耗和更低的重量，以及向800 V遷移的趨勢中更能發(fā)揮它的優(yōu)勢，但面臨成本、封裝及技術(shù)成熟度等多方面挑戰。
安森美(onsemi)提供領(lǐng)先的智能電源方案，在SiC領(lǐng)域有著(zhù)深厚的歷史積淀，是世界上少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商之一，其創(chuàng )新的VE Trac? Direct SiC和VE-Trac? B2 SiC方案采用穩定可靠的平面SiC技術(shù)，結合燒結技術(shù)和壓鑄模封裝，幫助設計人員解決上述挑戰，配合公司其他先進(jìn)的智能功率電源半導體，加快市場(chǎng)采用電動(dòng)車(chē)，助力未來(lái)的交通邁向可持續發(fā)展。
電動(dòng)車(chē)主驅發(fā)展趨勢
無(wú)論電動(dòng)車(chē)的配置如何，是完全由電池驅動(dòng)還是串聯(lián)插電式或并聯(lián)混動(dòng)傳動(dòng)系統，車(chē)輛電氣化都有這幾個(gè)關(guān)鍵因素：首先，電量存儲在電池內，然后直流電通過(guò)逆變器轉換為交流輸出，供電機轉化為機械能來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)。因此，主驅逆變器的能效和性能是關(guān)鍵，將直接影響電動(dòng)車(chē)的性能以及每個(gè)充電周期可達到的行駛里程。
電動(dòng)車(chē)主驅追求更大功率、更高能效、更高母線(xiàn)電壓、更輕重量和更小尺寸。更大功率意味著(zhù)更大的持續扭矩輸出，更好的加速性能。更高能效可使續航更遠，損耗更低。400 V電池是當前主流，即將向800 V發(fā)展。800 V架構可減短充電時(shí)間和降低損耗并減輕重量，從而使續航里程更遠。無(wú)論電機是在前軸還是在后軸，更小的電機尺寸都使得可利用的后備箱和乘客空間更大。這些趨勢推動(dòng)了電動(dòng)車(chē)主驅中的功率器件從IGBT向SiC轉型。
SiC是主驅逆變器的未來(lái)
SiC最重要的特性之一是它的禁帶帶隙比Si寬，電子遷移率是Si的3倍，帶來(lái)更低的損耗。SiC的擊穿電壓是Si的8倍，高擊穿電壓和更薄的漂移層，更適合高電壓架構如800 V。SiC的莫氏硬度為9.5，只比最硬的材料鉆石稍軟，比Si硬3.5，更適合做燒結，器件燒結后使可靠性得以提升，導熱性增強。SiC的導熱系數是硅的4倍，更易于散熱，從而降低散熱成本。
在逆變器層面或整車(chē)層面，SiC MOSFET都能實(shí)現比IGBT更低的整體系統級成本、更好的性能和質(zhì)量。SiC MOSFET相對于IGBT用于主驅逆變器應用中的關(guān)鍵設計優(yōu)勢有：
1. SiC使單位面積的功率密度更高，特別是在更高的電壓下(如1200伏擊穿)
2. 小電流下導通損耗比較低，導致在低負載時(shí)有更高的能效
3. 單極性的行為，可在更高溫度下工作，開(kāi)關(guān)損耗更低
VE-Trac? SiC系列：燒結工藝+壓鑄模SiC技術(shù)，專(zhuān)為主驅逆變而設計
安森美推出的針對主驅逆變特定封裝的SiC產(chǎn)品有：VE-Trac? Direct SiC(1.7 m? Rdson, 900 V 6-pack)功率模塊，VE-Trac? Direct SiC(2.2 m? Rdson, 900 V 6-pack)功率模塊，VE-Trac? B2 SiC(2.6 m? Rdson, 1200 V 半橋)功率模塊，提供行業(yè)里與IGBT或SiC高度兼容的封裝管腳，減少結構的變更設計工作。
圖1：VE Trac? Direct SiC(左)和VE Trac? B2 SiC(右)
為提高功率輸出，散熱至關(guān)重要。為了達到最佳的散熱效果，安森美VE-Trac? Direct SiC采用最新的銀燒結工藝，將SiC裸芯直接燒結在DBC上，DBC焊接到Pin Fin底板，底板下是冷卻液，這樣，芯片結和冷卻液之間的直接冷卻路徑有助于大大減少間接冷卻的熱阻，從而確保更大的功率輸出，如1.7 m? Rdson的VE-Trac? Direct SiC熱阻達到0.10℃/W，比VE-Trac? Direct IGBT的熱阻低20%。
圖2：VE-Trac? Direct SiC關(guān)鍵功能
差異化的壓鑄模封裝技術(shù)，比傳統的凝膠模塊可靠性更高，功率密度更高，雜散電感更低，散熱性能更好，易于擴展功率，更具成本優(yōu)勢，由于SiC可耐受的工作溫度高達200℃，持續工作時(shí)間達到175℃，因此含SiC的塑封壓鑄模封裝比壓鑄模IGBT模塊進(jìn)一步提高工作的溫度，使得輸出的功率更高。
安森美在相同的條件下對VE-Trac? Direct IGBT和VE-Trac? Direct SiC進(jìn)行仿真對比，它們提供同樣的輸出功率時(shí)，VE Trac? Direct SiC的結溫比VE Trac? Direct IGBT低21%，因而損耗更低，使能效得以提升。
圖3：仿真結果：SiC損耗更低
能效的提升，相當于更遠的續航里程或更低的電池成本。例如，使用相同的100 kWh電池，用SiC方案的續航里程比用Si遠5%。如果目標是節約成本，可減少電池尺寸以提供相同的續航能力。例如從140 kWh電池的Si方案改用100 kWh電池的SiC方案， 電池成本降低5%，但續航里程不變。
在同樣的450 V直流母線(xiàn)和150 ℃結溫(Tvj)條件下，820 A的IGBT可提供590 Arms的電流，輸出功率213 kW，相當于285馬力(HP)。2.2 mOhm SiC可提供605 Arms的電流，輸出功率220 kW，相當于295 HP。1.7 mOhm SiC可提供760 Arms電流，輸出功率274 kW，相當于367 HP。
為何選用安森美的VE-Trac? SiC？
SiC在MOSFET中的應用已超過(guò)10年，卻沒(méi)有被汽車(chē)廠(chǎng)商廣泛用于主驅方案中，是因為面臨SiC比硅基IGBT的成本高、供貨和供應、實(shí)施困難、技術(shù)成熟度、封裝不適合主驅方案等多個(gè)挑戰。
安森美在SiC領(lǐng)域的歷史可追溯到2004年，近年又收購了上游SiC供應企業(yè)GTAT，實(shí)現產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合，是世界上少數提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商，包括SiC晶錠生長(cháng)、襯底、外延、器件制造、同類(lèi)最佳的集成模塊和分立封裝方案，保證穩定可靠的供應鏈，有助于成本的優(yōu)化。
在系統方面，安森美也有很強的技術(shù)和系統知識，為客戶(hù)提供全球的應用支持。GTAT工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其SiC能提供非常精確的電阻率值, 且其整個(gè)晶體的電阻率分布非常均勻。
此外，安森美正推進(jìn)6英寸和8英寸SiC晶體生長(cháng)技術(shù)，同時(shí)還將對更多SiC供應鏈環(huán)節進(jìn)行投資，包括晶圓廠(chǎng)產(chǎn)能和封裝線(xiàn)。同時(shí)，安森美憑借多年的技術(shù)積累以及幾年前收購Fairchild半導體基因帶來(lái)的技術(shù)補充，不斷迭代，其SiC技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入第三代，綜合性能在業(yè)界處于領(lǐng)先地位。
圖4：安森美SiC的領(lǐng)先地位
VE-Trac? SiC與VE-Trac? IGBT的封裝管腳高度兼容，所以從IGBT轉向SiC減少了結構變更設計工作，同時(shí)，VE-Trac? SiC沿用了VE-Trac? IGBT的壓接設計，焊接可靠，可在175℃持續工作，符合車(chē)規AECQ101和AQG324，功率級可靈活擴展。
VE-Trac? B2 SiC在一個(gè)半橋架構中集成了安森美的所有SiC MOSFET技術(shù)。裸片連接采用燒結技術(shù)，提高了散熱性、能效、功率密度和可靠性，可在175℃持續工作甚至可短期工作在200℃，符合AQG 324汽車(chē)功率模塊標準。B2 SiC模塊結合燒結技術(shù)用于裸片連接和銅夾，壓鑄模工藝用于實(shí)現可靠的封裝。其SiC芯片組采用安森美的M1 SiC技術(shù)，從而提供高電流密度、強大的短路保護、高阻斷電壓和高工作溫度，在電動(dòng)車(chē)主驅?xiě)弥袔?lái)領(lǐng)先同類(lèi)的性能。
圖5：VE-Trac? B2 SiC價(jià)值定位
未來(lái)的產(chǎn)品和800 V電池的優(yōu)勢
由于SiC擁有更高的擊穿電壓，將使800 V電池架構得到廣泛采用。更低的電流產(chǎn)生更少的熱量，而更高的直流電池電壓，增加逆變器的功率密度。從整車(chē)層面來(lái)看，更高的電壓，電流就減小，因而截面的電纜和連接器也更小，重量更輕，在大電流如35 kW以上的充電條件下有更快的充電速度，性能也得到更好的提升，所以在高性能車(chē)型中會(huì )優(yōu)先采用800 V架構。
總結
SiC將改變電動(dòng)車(chē)的未來(lái)。安森美是世界上為數不多能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案的供應商之一，其專(zhuān)為主驅逆變設計的VE-Trac? Direct SiC和VE-Trac? B2 SiC采用差異化的壓鑄模封裝和創(chuàng )新的燒結工藝，符合車(chē)規，提供更好的散熱性，損耗更低，功率更大，能效更高，使得新能源汽車(chē)的續航里程更長(cháng)，電池更小，加上技術(shù)團隊提供的應用支援，幫助從成本、供貨、技術(shù)、封裝等方面解決將SiC用于主驅的挑戰，并推進(jìn)電動(dòng)車(chē)從400 V向800 V發(fā)展。
未來(lái)，安森美將持續創(chuàng )新，提供領(lǐng)先的智能電源方案，包括IGBT、SiC和VE-Trac?模塊，賦能更強大可靠的汽車(chē)產(chǎn)品，幫助加快市場(chǎng)采用電動(dòng)車(chē)，并使未來(lái)的交通邁向可持續發(fā)展。
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