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使用SiC技術攻克汽車挑戰
WInSiC4AP:採用SiC寬帶隙創新技術開發先進功率元件

【作者: 意法半導體】   2019年01月07日 星期一

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在未來幾年投入使用SiC技術來應對汽車電子技術挑戰是ECSEL JU的WInSiC4AP專案所要達成的目標之一。ECSEL JU和ESI攜手為該專案提供資金支援,實現具有重大經濟和社會影響的優勢互補的研發活動。由DTSMNS(Distretto Tecnologico Sicilia Micro e Nano Sistemi)牽頭,20個專案合作成員將在技術研究、製程、封裝測試和應用展開為期36個月的研發合作。本文將討論本專案中與車用電子的相關內容,並聚焦在有關SiC技術和封裝的創新。


WInSiC4AP聯盟由來自4個歐盟國家(意大利、法國、德國和捷克共和國)的20個合作夥伴組成,包括大型企業、中小型企業、大學院校和政府科研機構。在這種背景下,企業(汽車製造、航空電子設備、鐵路和國防)和垂直產業鏈(半導體供應商,電感器和電容器廠商)以及學術機構和研究實驗室將合作設計解決方案,解決技術難題,分享專有知識,同時也可能出現無法預料的結果。WInSiC4AP的核心目標是為高效能、高成本效益的目標開發可靠的技術模組,以解決社會問題,同時克服歐洲在其已處於世界領先水平之細分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領域所面臨的技術挑戰。


WInSiC4AP藉由產業垂直整合的優勢,依照應用需求優化技術,發展出完整的生態系統,並將相關問題作為可靠性問題給予全面分析。在當今美日等國家正在研發碳化矽技術,新企業搶佔市場的背景下,該專案將提升歐盟工業、一級和二級供應商以及產業鏈下游企業的競爭力。專案組將針對目標應用開發新的拓撲結構和架構,在實驗室層面模擬操作環境,推進目前急需的還是空白的技術、元件和展示產品的研發工作,以縮小現有技術水平與技術規範的極高要求之間的差距。


在開始討論技術和開發目標前,圖1為電動汽車概念的簡單示意圖。在這種情況下,功率轉換系統和牽引馬達所採用的電子元件是本專案的研究方向。



圖1 : 電動汽車工作原理示意圖
圖1 : 電動汽車工作原理示意圖

圖2是眾人所熟悉之矽和寬帶隙材料(SiC,GaN)的比較圖。在開關頻率還不是重點的汽車應用中,卓越的驅動性能和寬廣的工作溫度範圍,讓SiC成為電動汽車設計者的首選功率元件。



圖2 : Si、SiC和GaN的特性優值比較 (source:YoleDeveloppement)
圖2 : Si、SiC和GaN的特性優值比較 (source:YoleDeveloppement)

WINSIC4AP 的主要目標

主要目標

WinSiC4AP致力於為高效能、高成本效益的目標應用開發可靠的技術模組,以解決社會問題,並克服歐洲在其已處於世界領先水平的細分市場以及汽車、航空電子、鐵路和國防領域所面臨的技術挑戰。


展示品

所有技術開發和目標應用的講解和展示,都是使用含有本專案開發出來的SiC技術模組和封裝原型展示品:


汽車與鐵路


1.PHEV(插電式混動汽車)或BEV(純電動汽車)車載充電器


2.HEV(混動汽車)、BEV和FC(燃料電池汽車)隔離式DC-DC轉換器


3. 鐵路機車智能功率開關(IPS-RA)


4. 航空級智能功率開關(IPS-AA)


納 / 微電網與航空電子


5.用於奈米/微電網V2G/V2H的高效雙向SiC功率轉換器


6.航空電子逆變器。


航空電子


7. LiPo介面


8.引擎控制器 - 逆變器


該專案執行分為三個主要階段:規範和用例定義,技術開發,原型展示研發。


WINSIC4AP項目中的SIC技術

製造SiC元件需要使用專用生產線,係因半導體的物理特性(摻雜劑的極低擴散性和晶格的複雜性),以及市場現有晶片的直徑尺寸較小(150mm),尤其是離子注入或摻雜劑激活等製程與半導體元件製程使用的常規層不相容。因此,這些特異性需要特殊的集成方案。


使用這些方法將可以實現截止電壓高於1200V和1700V的兩種SiC功率MOSFET,電流強度為45A,輸出電阻小於100微歐姆。


這些元件將採用HiP247新型封裝,該封裝是專為SiC功率元件而設計,以提升其散熱性能。SiC的導熱率是矽的三倍。以意法半導體研發的SiC MOSFET為例,即使在攝氏200度以上時,SiC MOSFET也能保持高效能之特性。


WInSiC4AP專案的SiC MOSFET開發主要在2018年進行。圖3、圖4、圖5分別提供元件的輸出特性、閾值電壓和擊穿電壓等預測性能。



圖3 : SiC SCT30N120中MOSFET在攝氏25度和攝氏200度時的電流輸出特性。
圖3 : SiC SCT30N120中MOSFET在攝氏25度和攝氏200度時的電流輸出特性。

在整個溫度範圍內,輸出電阻遠低於100 mOhm; 當溫度從攝氏25度上升到攝氏200度時,閾值電壓值(Vth)降低了600mV,擊穿電壓(BV)上升了約50V,不難看出,SiC MOSFET性能明顯高於矽MOSFET。



圖4 : SiC SCT30N120中的MOSFET在攝氏25和200度時的閾值電壓
圖4 : SiC SCT30N120中的MOSFET在攝氏25和200度時的閾值電壓

圖5 :  SiC SCT30N120中MOSFET在攝氏25和200度時的擊穿電壓特性
圖5 : SiC SCT30N120中MOSFET在攝氏25和200度時的擊穿電壓特性

從其它表徵數據可以看出,隨著溫度從攝氏25度上升至攝氏200度,開關耗散能量和內部體漏二極體的恢復時間保持不變。


本專案所研發的新元件將帶來類似的或更好的性能。Rdson降低是正在開發的SiC MOSFET的關鍵參數。最低的Rdson值將幫助最終使用者完成原型展示品。


功率模組

WInSiC4AP專案設想透過技術創新開發先進的封裝技術,發揮新型SiC元件能夠在高溫[3,4]下輸出大電流的性能優勢。


關於封裝技術,WInSiC4AP將一方面想在完整封裝方案的高溫穩健性方面取得突破,另一方面想要控制封裝溫度變化,最終目標是創造新的可靠性記錄:


 可靠性是現有技術水平5倍多; 高溫性能同樣大幅提升


 能夠在攝氏200度或更高溫度環境中工作。


專案將針對整合式SiC元件的特性優化封裝方法,採用特別是模塑或三維立體封裝技術,開發新一代功率模組,如圖6所示。



圖6 : 新一代功率模組(here 3D)
圖6 : 新一代功率模組(here 3D)

考量到SiC是一種相對較新的材料,SiC元件的工作溫度和輸出功率高於矽,有必要在專案內開發介於晶片和封裝(前工序和後工序)之間的新方法和優化功率模組。


事實上,為滿足本專案開發之目標應用的功率需求,需要在一個功率模組內安裝多個SiC元件(> 20個)。功率模組需要經過專門設計,確保元件並聯良好,以最大限度地減少導通損耗和寄生電感,開關頻率良好(最小20kHz)。


圖7所示是本專案使用的一個模組。



圖7 :  STA5汽車功率模組(最大功率100kW)。
圖7 : STA5汽車功率模組(最大功率100kW)。

結論

得益於SiC材料的固有特性,新一代功率器件提高了應用能效,同時也提高了工作溫度。


從項目的角度看,熱動力汽車向混動汽車和最終的電動汽車發展,需要使用高效的先進的電子產品,我們預計碳化矽技術在新車中的應用將會對經濟產生積極的影響。


(本文作者為意法半導體汽車與離散原件部門Antonio Imbruglia, Mario Saggio, Marco Renna, Emanuele Scrofani 以及Fabrizio Roccaforte, Patrick Fiorenza, Leoluca Liggio和Salvatore Frisella)


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