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論IGBT與SiC在汽車功率半導體中的作用

kus1_iawbs2016 ? 來源:fqj ? 2019-04-25 11:28 ? 次閱讀

目前,全球新能源汽車發(fā)展方興未艾,而中國是一塊重要市場,具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?jù)統(tǒng)計,從2011到2016年,中國電動汽車年產(chǎn)量從不足5000輛,發(fā)展到51萬輛,保有量從1萬輛提升到100萬輛,均占全球50%,處于領先地位。2018年,中國新能源汽車產(chǎn)量達到127萬輛,繼續(xù)保持大幅增長勢頭。

上周,在北京舉行的中國國際新能源汽車功率半導體關鍵技術論壇(PSIC 2019)上,20余名國內(nèi)外知名專家、學者、企業(yè)負責人圍繞業(yè)界關注的熱點話題發(fā)表了主題演講。中國第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院電機電驅(qū)動研究所所長趙慧超,中科院電工所研究員溫旭輝,中國工程院外籍院士、美國國家工程院院士汪正平,宏微科技(MACMIC)總裁趙善麒分別就中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢、電機逆變器IGBT功率模塊環(huán)境可靠試驗評測技術、高功率密度SiC車用電機驅(qū)動控制器研發(fā),以及電動汽車用功率半導體器件現(xiàn)狀與發(fā)展等主題做了深入的分析和探討。

據(jù)宏微科技總裁 趙善麒介紹,在全球電動車功率半導體市場,功率控制單元中所消耗的功率半導體器件價值最多,而輕混電動車的發(fā)展速度最快,具體如下圖所示。

在功率模塊方面,電動汽車用半導體功率模塊占模塊總量的比例在未來5年會有所增長,2017年,該市場規(guī)模為34億美元,Yole預計2023年將達到52億美元,較2017年增長50%。

車用IGBT

目前,新能源汽車已經(jīng)進入快速發(fā)展軌道,其發(fā)展也逐漸由政策導向轉(zhuǎn)為市場導向。在此基礎上,新能源車關鍵零部件已進入充分競爭期,保證質(zhì)量、降低成本是重要課題。

來自中國一汽的趙慧超所長表示,車用功率模塊(當前的主流是IGBT)決定了車用電驅(qū)動系統(tǒng)的關鍵性能,同時占電機逆變器成本的40%以上,是核心部件。

而據(jù)趙善麒介紹,IGBT約占電機驅(qū)動器成本的三分之一,而電機驅(qū)動器約占整車成本的15~20%,也就是說,IGBT占整車成本的5~7%。2018年,中國新能源汽車銷量按125萬輛計算的話,平均每輛車大約消耗450美元的IGBT,所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT。

關于失效分析,趙慧超表示,IGBT模塊是由層疊結構的、不同材質(zhì)的材料,通過焊接、燒結、共晶粘結等工藝制成。各層材料的機械強度、膨脹系數(shù)不同,抗拉伸、抗撕裂和抗疲勞性能也各不相同。這些都是IGBT失效的主要影響因素。

統(tǒng)一質(zhì)量考核標準,實現(xiàn)充分競爭,是當前汽車行業(yè)對功率模塊產(chǎn)品的迫切需求。而對IGBT的考核是重中之重,涉及到具體的考核要求,可分為3類試驗,分別是:IGBT模塊的電氣額定/峰值試驗,電熱特性試驗,以及環(huán)境和可靠性試驗。

在談到IGBT的發(fā)展趨勢時,趙善麒表示,在技術層面,IGBT芯片經(jīng)歷了一系列的迭代過程,包括從PT向NPT,再到FS的升級,這些使芯片變薄,降低了熱阻,并提升了Tj;IEGT、CSTBT和MPT的引入,持續(xù)降低了Vce,并提高了功率密度;通過表面金屬及鈍化層優(yōu)化,可滿足車用的高可靠性要求。

除了技術層面,IGBT在結構上也有創(chuàng)新,如出現(xiàn)了RC-IGBT,以及將FWD與IGBT集成到一起的設計;此外,在功能上也有集成,如集成電流、溫度傳感器等。

車用SiC器件研發(fā)進展

在當今的功率半導體領域,SiC器件越來越受到重視,車用的功率半導體也不例外。那么,市場為什么會如此青睞SiC呢?對此,趙善麒總結道:1、SiC器件的工作結溫在200℃以上,工作頻率在100kHz以上,耐壓可達20kV,這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件;2、SiC器件體積可減小到IGBT整機的1/3~1/5,重量可減小到40~60%;3、SiC器件還可以提升系統(tǒng)的效率,進一步提高性價比和可靠性。

在電動車的不同工況下,SiC器件與IGBT的性能對比情況如下圖所示,不同工況下,SiC的功耗降低了60~80%,效率提升了1~3%。

因此,效率的提升使得電動汽車的續(xù)航能力提高了10%,PCU的尺寸減小到原來的1/5,更為重要的是,系統(tǒng)成本比IGBT的有明顯下降,如下圖所示。

目前,在全球范圍內(nèi),SiC MOSFET的主流供應商包括Cree、Rohm和英飛凌等,而從歐美日這三家代表廠商的SiC MOSFET橫向?qū)Ρ葋砜矗洚a(chǎn)品元胞結構技術能力各不相同,而它們的產(chǎn)品發(fā)展方向都趨向于更高電壓、更大電流或更高的電流密度。

當然,有優(yōu)勢就有不足,趙善麒認為,SiC芯片目前面臨的挑戰(zhàn)主要包括:1、成品率低,成本高;2、SiC和SiO2界面缺陷多,柵氧長期可靠性是個問題;3、SiC MOSFET缺少長期可靠性數(shù)據(jù)。

談到SiC器件研發(fā)進展,特別是SiC混合開關模塊存在的問題時,中科院電工所研究員溫旭輝女士表示,當前,SiC芯片載流能力低,而成本過高,同等級別的SiC MOSFET芯片,其成本是硅基IGBT的8~12倍。功耗方面,SiC MOSFET先于硅基IGBT開通,后于IGBT關斷,而IGBT可以實現(xiàn)ZVS(零電壓開關),可大幅降低損耗。

因此,總體來看,硅基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%,而成本則是SiC MOSFET的25%,

溫旭輝表示,在進行SiC混合開關模塊門極驅(qū)動開發(fā)時,存在著SiC芯片高速關斷時,會引起IGBT誤動作的問題,而解決這一問題的方法是:1、使用具有Miller鉗位功能的驅(qū)動芯片;2、優(yōu)化門極驅(qū)動PCB,降低相關路徑的雜散阻抗。

綜上,溫旭輝認為,由于硅便宜又好用,因此,SiC和硅混合開關模塊會有很大的市場應用前景,而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統(tǒng)當中普及,還需要時間。

此外,來自ASM的丁佳培博士、華虹宏力技術總監(jiān)楊繼業(yè)、賀利氏營銷經(jīng)理盧飛、士蘭微高級研發(fā)經(jīng)理顧悅吉、基本半導體營銷總監(jiān)蔡雄飛、奧魯比Helge Lehmman、KnS應用經(jīng)理陳蘭蘭、友強國際技術總監(jiān)周丹、上汽英飛凌總經(jīng)理王學合、清華大學教授李永東、聯(lián)合電子研發(fā)總監(jiān)孫輝、采埃孚研發(fā)中心專家梁小廣、泰科天潤技術總監(jiān)李志君、origin中國區(qū)市場經(jīng)理馬卿、清華大學副教授陸海峰,以及西安交通大學教授王來利,分別就產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的熱點問題做專題報告。在交流環(huán)節(jié),與會代表圍繞新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢、IGBT核心技術研發(fā)、關鍵生產(chǎn)工藝等展開了熱烈的討論。

論壇同期的展覽展示上,士蘭微、賀利氏、奧魯比斯、ASM、友強國際、富事德作為本次金牌贊助單位并現(xiàn)場展示最新技術產(chǎn)品,上汽英飛凌、宏微科技、基本半導體、衛(wèi)光科技、天麗晶、中好蔚萊、天楊電子、翱晶、勵芯泰思特等49家產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主流企業(yè)展示了代表當下最先進水平的產(chǎn)品和技術。

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原文標題:IGBT與SiC在汽車功率半導體中的應用

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