TMC車規(guī)級SiC功率模塊基礎(chǔ)知識小結(jié)

前段時間去了一趟青島參加TMC的車規(guī)級SiC功率模塊的論壇。如之前所述，在這個領(lǐng)域，隨著400V往800V總線轉(zhuǎn)換，SiC產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為十分朝陽行業(yè)，在中國也占據(jù)了一個非常重要的位置。

如何從車企和SiC企業(yè)之間建立這個溝通渠道，本次TMC論壇做了一次非常好的嘗試，我這里做一些梳理和記錄。

Part 1

1.

目前碳化硅的價格是IGBT的大概三到五倍，甚至最近碳化硅的供應(yīng)商們把價格進一步提高了（由于缺芯）。明年，將有70%以上的汽車企業(yè)至少有一款碳化硅會試運行或者測試，預(yù)計到2027-2030年碳化硅將成為主流。

目前為止大量的封裝材料依賴進口（尤其是耐高溫的材料），包括絕緣的封裝材料等，目標(biāo)是到2025年，自主碳化硅芯片加上自主的封裝能夠上車。

2.

碳化硅的市場需求（市值而不是數(shù)量）未來幾年會有一個非常快速的增長，碳化硅貴很多，硅基器件不會那么快退出市場。碳化硅和800V是比較好的組合，但并不是一對一的關(guān)系，早期800V的系統(tǒng)碳化硅的器件并沒有那么成熟，用的還是硅基IGBT。目前碳化硅大部分還是采用了現(xiàn)有硅基的技術(shù)，實際上都是用現(xiàn)有的封裝技術(shù)，這一方面可以規(guī)避SiC市場的不確定性，并且保證技術(shù)成熟度，努力讓碳化硅模塊先跑起來，再進行優(yōu)化。

真正想發(fā)揮碳化硅的優(yōu)勢，可以做下面的工作：

●冷卻：目前主流的是單面的直接水冷技術(shù)，但碳化硅更適合雙面的水冷技術(shù)，碳化硅目前大部分還是平臺性器件，發(fā)熱的范圍很窄，產(chǎn)生的熱量其實很高，這樣對冷卻提出了更高的要求。

●銀燒結(jié)技術(shù)封裝的溫度比較高，可以克服封裝可靠性的問題，底端的連接和不同位置都可以采用銀燒結(jié)技術(shù)。銅燒結(jié)可能實現(xiàn)一個全銅的模塊。

●鍵合技術(shù)：碳化硅在比較高頻的情況下運行，需要一個非常低的低電感技術(shù)。可以采用柔性（像電路板的鍵合方式），像雙面的鍵合把整個包覆的板作為像引線一樣，直接焊接到這個表面，這都是比較新穎的鍵合技術(shù)。

●高溫的塑封材料：運行溫度可能會比較高，需要一些新的材料去適應(yīng)它的體系。

●基板：從CTE的熱膨脹技術(shù)差異上來看，氮化鋁和氮化硅都是一個比較好的材料，相對來說跟碳化硅的熱膨脹技術(shù)都是比較接近。但是氮化鋁的韌性不足很容易就碎掉，比較希望采用富銅的氮化鋁材料。

碳化硅很特殊的地方在于材料多，很多都是創(chuàng)新公司在做，傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體企業(yè)通過收購的方式去做垂直的整合在未來也是非常重要的趨勢。因為材料特殊性， IDM是比較有優(yōu)勢的，使用的碳化硅和硅整個成本的比例是為2.5：1左右，未來幾年它可能逐漸降低到2左右。

3.

上汽全系800V，包括一個800V的快充電池，前驅(qū)是一個A軸，后驅(qū)是一個C軸，包括高壓的PDC。電驅(qū)動系統(tǒng)的重量增加了4%，重量功率密度可以提升60%。碳化硅器件成本很貴導(dǎo)致電驅(qū)的成本上升大概30%左右。400V的C軸和800V的C軸效率對比，高效區(qū)明顯變大了，90%的效率擴大6.6%，95%的效率區(qū)間擴大7%。碳化硅更適合CLTC的工況，平均效率提高了3%-5%。

電驅(qū)控制集成了MCU+VCU+BMS部分功能，采用Aurix TC389主控芯片，配備SBC3584實現(xiàn)功能安全，部分車端BMS的功能加進去了。

中速、低速、高速不同的工況情況下，碳化硅系統(tǒng)的應(yīng)用中會有一個比較優(yōu)的最佳效率點。在10K頻率下也可以控制在2.1萬轉(zhuǎn)的高速情況，從10K提到12K的時候，這個波動明顯降低了很多。碳化硅應(yīng)用之后電機控制可以達到2.5萬轉(zhuǎn)這樣一個情況，碳化硅的開關(guān)頻率提升20%、30%，轉(zhuǎn)速也可以進一步地再提升?；谔蓟韫β势骷杨l率做高，13K以下測到的噪音，15K、16K、17K，可以看到很明顯的優(yōu)化。碳化硅高速開關(guān)特性對驅(qū)動芯片的要求比較高，需要精益性的設(shè)計，更高開關(guān)造成的EMI方面的影響也很大。軸電壓的根源是PWM開關(guān)導(dǎo)致的電容感應(yīng)電壓，通過源頭、路徑包括軸承本身的一些綜合優(yōu)化。

4.

碳化硅器件要：

●突破高溫限制，達到200度穩(wěn)定運行

●解決高速開關(guān)易受干擾，實現(xiàn)高速門級驅(qū)動

●散熱過于集中，需要采用高效散熱方法

Part 2

5.

碳化硅功率第一代接近批產(chǎn)的是邊框+灌膠型的碳化硅功率模塊。同時已經(jīng)著手嵌入PCB管的碳化硅模塊，直接將碳化硅器件嵌入到電路板還是可行的，在五六年之后能實現(xiàn)投產(chǎn)的一代產(chǎn)品。

WLTP工況下的開關(guān)頻率，找電機損耗最低值，不同的轉(zhuǎn)速和不同的扭矩情況下找出來最優(yōu)化的開關(guān)頻率，單純使用碳化硅逆變器能夠降低4.5瓦時/公里的功率消耗。如果我們用優(yōu)化過后的開關(guān)頻率，從逆變器端功率損耗升高，但從電機的角度是進一步降低了0.55瓦時/公里，電機和逆變器綜合起來優(yōu)化0.4瓦時/公里的功率損耗降低，加上碳化硅逆變器的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的降低，共有4.9瓦時的損耗降低。

6.

Viper設(shè)計初衷是避免鍵合線的失效點，提高導(dǎo)熱系數(shù)，封裝層面也考慮到整個封裝的簡化，縮減整個設(shè)計制造成本，從而提高可行性。

Viper的主要應(yīng)用場景主要是通過對于電流密度以及結(jié)溫進行改善，雙面水冷的封裝設(shè)計是為了優(yōu)化散熱設(shè)計，同時減少對于所謂成本較高的晶圓的應(yīng)用，從而最終優(yōu)化整個系統(tǒng)的成本。

雙面水冷，熱導(dǎo)系數(shù)偏低，結(jié)溫也會控制得比較低。

尺寸和用量來說，用到的晶圓會更少一些，這樣的話整個成本會更低。

基于可靠性考慮，設(shè)計中取消了鍵合線的設(shè)計，通過焊接或者灌封等方式，最終模塊能量密度會更高一些。

7.

講充電機，我就不在這里摘錄了。

8.

傳統(tǒng)平面型的是第一代，也是目前正在使用的碳化硅結(jié)構(gòu)（比較主流的）。博世雙溝槽型的碳化硅是縱向的延伸，可以有效地縮小尺寸間距。雙溝槽的技術(shù)也有利于電流密度的提升，尺寸間隙的減小。在相對同樣的室溫下，溝槽型的碳化硅產(chǎn)品在同樣的面積下比傳統(tǒng)平面型的碳化硅要小很多。針對于可靠性的優(yōu)化也有利保證了碳化硅產(chǎn)品更高的性能。

博世第一代的碳化硅產(chǎn)品1200V、750V已經(jīng)量產(chǎn)了。第二代產(chǎn)品的開發(fā)已經(jīng)在進行中，第二代750V已經(jīng)有試樣，到2023年計劃量產(chǎn)。第二代碳化硅產(chǎn)品改良：

●溫度系數(shù)可以減少10%。

●集成二極管，整個碳化硅開關(guān)控制過程中它會產(chǎn)生比較高的壓降，二極管的壓降只有第一代的一半，能夠減少50%，可以支持更快的開關(guān)速度。

審核編輯：劉清