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使用SiC技术攻克汽车挑战
WInSiC4AP:采用SiC宽带隙创新技术开发先进功率元件

【作者: 意法半導體】2019年01月07日 星期一

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在未来几年投入使用SiC技术来应对汽车电子技术挑战是ECSEL JU的WInSiC4AP专案所要达成的目标之一。ECSEL JU和ESI携手为该专案提供资金支援,实现具有重大经济和社会影响的优势互补的研发活动。由DTSMNS(Distretto Tecnologico Sicilia Micro e Nano Sistemi)牵头,20个专案合作成员将在技术研究、制程、封装测试和应用展开为期36个月的研发合作。本文将讨论本专案中与车用电子的相关内容,并聚焦在有关SiC技术和封装的创新。


WInSiC4AP联盟由来自4个欧盟国家(意大利、法国、德国和捷克共和国)的20个合作夥伴组成,包括大型企业、中小型企业、大学院校和政府科研机构。在这种背景下,企业(汽车制造、航空电子设备、铁路和国防)和垂直产业链(半导体供应商,电感器和电容器厂商)以及学术机构和研究实验室将合作设计解决方案,解决技术难题,分享专有知识,同时也可能出现无法预料的结果。WInSiC4AP的核心目标是为高效能、高成本效益的目标开发可靠的技术模组,以解决社会问题,同时克服欧洲在其已处於世界领先水平之细分市场以及汽车、航空电子、铁路和国防领域所面临的技术挑战。


WInSiC4AP藉由产业垂直整合的优势,依照应用需求优化技术,发展出完整的生态系统,并将相关问题作为可靠性问题给予全面分析。在当今美日等国家正在研发碳化矽技术,新企业抢占市场的背景下,该专案将提升欧盟工业、一级和二级供应商以及产业链下游企业的竞争力。专案组将针对目标应用开发新的拓扑结构和架构,在实验室层面模拟操作环境,推进目前急需的还是空白的技术、元件和展示产品的研发工作,以缩小现有技术水平与技术规范的极高要求之间的差距。


在开始讨论技术和开发目标前,图1为电动汽车概念的简单示意图。在这种情况下,功率转换系统和牵引马达所采用的电子元件是本专案的研究方向。



图1 : 电动汽车工作原理示意图
图1 : 电动汽车工作原理示意图

图2是众人所熟悉之矽和宽带隙材料(SiC,GaN)的比较图。在开关频率还不是重点的汽车应用中,卓越的驱动性能和宽广的工作温度范围,让SiC成为电动汽车设计者的首选功率元件。



图2 : Si、SiC和GaN的特性优值比较 (source:YoleDeveloppement)
图2 : Si、SiC和GaN的特性优值比较 (source:YoleDeveloppement)

WINSIC4AP 的主要目标

主要目标

WinSiC4AP致力於为高效能、高成本效益的目标应用开发可靠的技术模组,以解决社会问题,并克服欧洲在其已处於世界领先水平的细分市场以及汽车、航空电子、铁路和国防领域所面临的技术挑战。


展示品

所有技术开发和目标应用的讲解和展示,都是使用含有本专案开发出来的SiC技术模组和封装原型展示品:


汽车与铁路


1.PHEV(??电式混动汽车)或BEV(纯电动汽车)车载充电器


2.HEV(混动汽车)、BEV和FC(燃料电池汽车)隔离式DC-DC转换器


3. 铁路机车智能功率开关(IPS-RA)


4. 航空级智能功率开关(IPS-AA)


纳 / 微电网与航空电子


5.用於奈米/微电网V2G/V2H的高效双向SiC功率转换器


6.航空电子逆变器。


航空电子


7. LiPo介面


8.引擎控制器 - 逆变器


该专案执行分为三个主要阶段:规范和用例定义,技术开发,原型展示研发。


WINSIC4AP项目中的SIC技术

制造SiC元件需要使用专用生产线,系因半导体的物理特性(掺杂剂的极低扩散性和晶格的复杂性),以及市场现有晶片的直径尺寸较小(150mm),尤其是离子注入或掺杂剂激活等制程与半导体元件制程使用的常规层不相容。因此,这些特异性需要特殊的集成方案。


使用这些方法将可以实现截止电压高於1200V和1700V的两种SiC功率MOSFET,电流强度为45A,输出电阻小於100微欧姆。


这些元件将采用HiP247新型封装,该封装是专为SiC功率元件而设计,以提升其散热性能。SiC的导热率是矽的三倍。以意法半导体研发的SiC MOSFET为例,即使在摄氏200度以上时,SiC MOSFET也能保持高效能之特性。


WInSiC4AP专案的SiC MOSFET开发主要在2018年进行。图3、图4、图5分别提供元件的输出特性、??值电压和击穿电压等预测性能。



图3 : SiC SCT30N120中MOSFET在摄氏25度和摄氏200度时的电流输出特性。
图3 : SiC SCT30N120中MOSFET在摄氏25度和摄氏200度时的电流输出特性。

在整个温度范围内,输出电阻远低於100 mOhm; 当温度从摄氏25度上升到摄氏200度时,??值电压值(Vth)降低了600mV,击穿电压(BV)上升了约50V,不难看出,SiC MOSFET性能明显高於矽MOSFET。



图4 : SiC SCT30N120中的MOSFET在摄氏25和200度时的??值电压
图4 : SiC SCT30N120中的MOSFET在摄氏25和200度时的??值电压

图5 :  SiC SCT30N120中MOSFET在摄氏25和200度时的击穿电压特性
图5 : SiC SCT30N120中MOSFET在摄氏25和200度时的击穿电压特性

从其它表徵数据可以看出,随着温度从摄氏25度上升至摄氏200度,开关耗散能量和内部体漏二极体的恢复时间保持不变。


本专案所研发的新元件将带来类似的或更好的性能。Rdson降低是正在开发的SiC MOSFET的关键叁数。最低的Rdson值将帮助最终使用者完成原型展示品。


功率模组

WInSiC4AP专案设想透过技术创新开发先进的封装技术,发挥新型SiC元件能够在高温[3,4]下输出大电流的性能优势。


关於封装技术,WInSiC4AP将一方面想在完整封装方案的高温稳健性方面取得突破,另一方面想要控制封装温度变化,最终目标是创造新的可靠性记录:


勏 可靠性是现有技术水平5倍多; 高温性能同样大幅提升


勏 能够在摄氏200度或更高温度环境中工作。


专案将针对整合式SiC元件的特性优化封装方法,采用特别是模塑或三维立体封装技术,开发新一代功率模组,如图6所示。



图6 : 新一代功率模组(here 3D)
图6 : 新一代功率模组(here 3D)

考量到SiC是一种相对较新的材料,SiC元件的工作温度和输出功率高於矽,有必要在专案内开发介於晶片和封装(前工序和後工序)之间的新方法和优化功率模组。


事实上,为满足本专案开发之目标应用的功率需求,需要在一个功率模组内安装多个SiC元件(> 20个)。功率模组需要经过专门设计,确保元件并联良好,以最大限度地减少导通损耗和寄生电感,开关频率良好(最小20kHz)。


图7所示是本专案使用的一个模组。



图7 :  STA5汽车功率模组(最大功率100kW)。
图7 : STA5汽车功率模组(最大功率100kW)。

结论

得益於SiC材料的固有特性,新一代功率器件提高了应用能效,同时也提高了工作温度。


从项目的角度看,热动力汽车向混动汽车和最终的电动汽车发展,需要使用高效的先进的电子产品,我们预计碳化矽技术在新车中的应用将会对经济产生积极的影响。


(本文作者为意法半导体汽车与离散原件部门Antonio Imbruglia, Mario Saggio, Marco Renna, Emanuele Scrofani 以及Fabrizio Roccaforte, Patrick Fiorenza, Leoluca Liggio和Salvatore Frisella)


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