属于IGBT与SiC的竞技场——汽车功率器件

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目前,全球新能源汽车发展方兴未艾,而中国是一块重要市场,具有巨大的发展潜力。据统计,从2011到2016年,中国电动汽车年产量从不足5000辆,发展到51万辆,保有量从1万辆提升到100万辆,均占全球50%,处于领先地位。2018年,中国新能源汽车产量达到127万辆,继续保持大幅增长势头。

 

上周,在北京举行的中国国际新能源汽车功率半导体关键技术论坛(PSIC 2019)上,20余名国内外知名专家、学者、企业负责人围绕业界关注的热点话题发表了主题演讲。中国第一汽车股份有限公司新能源开发院电机电驱动研究所所长赵慧超,中科院电工所研究员温旭辉,中国工程院外籍院士、美国国家工程院院士汪正平,宏微科技(MACMIC)总裁赵善麒分别就中国新能源汽车产业发展趋势、电机逆变器IGBT功率模块环境可靠试验评测技术、高功率密度SiC车用电机驱动控制器研发,以及电动汽车用功率半导体器件现状与发展等主题做了深入的分析和探讨。

 

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据宏微科技总裁 赵善麒介绍,在全球电动车功率半导体市场,功率控制单元中所消耗的功率半导体器件价值最多,而轻混电动车的发展速度最快,具体如下图所示。

 

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在功率模块方面,电动汽车用半导体功率模块占模块总量的比例在未来5年会有所增长,2017年,该市场规模为34亿美元,Yole预计2023年将达到52亿美元,较2017年增长50%。

 

 

车用IGBT

 

目前,新能源汽车已经进入快速发展轨道,其发展也逐渐由政策导向转为市场导向。在此基础上,新能源车关键零部件已进入充分竞争期,保证质量、降低成本是重要课题。

 

来自中国一汽的赵慧超所长表示,车用功率模块(当前的主流是IGBT)决定了车用电驱动系统的关键性能,同时占电机逆变器成本的40%以上,是核心部件。

 

而据赵善麒介绍,IGBT约占电机驱动器成本的三分之一,而电机驱动器约占整车成本的15~20%,也就是说,IGBT占整车成本的5~7%。2018年,中国新能源汽车销量按125万辆计算的话,平均每辆车大约消耗450美元的IGBT,所有车共需消耗约5.6亿美元的IGBT。

 

关于失效分析,赵慧超表示,IGBT模块是由层叠结构的、不同材质的材料,通过焊接、烧结、共晶粘结等工艺制成。各层材料的机械强度、膨胀系数不同,抗拉伸、抗撕裂和抗疲劳性能也各不相同。这些都是IGBT失效的主要影响因素。

 

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统一质量考核标准,实现充分竞争,是当前汽车行业对功率模块产品的迫切需求。而对IGBT的考核是重中之重,涉及到具体的考核要求,可分为3类试验,分别是:IGBT模块的电气额定/峰值试验,电热特性试验,以及环境和可靠性试验。

 

在谈到IGBT的发展趋势时,赵善麒表示,在技术层面,IGBT芯片经历了一系列的迭代过程,包括从PT向NPT,再到FS的升级,这些使芯片变薄,降低了热阻,并提升了Tj;IEGT、CSTBT和MPT的引入,持续降低了Vce,并提高了功率密度;通过表面金属及钝化层优化,可满足车用的高可靠性要求。

 

除了技术层面,IGBT在结构上也有创新,如出现了RC-IGBT,以及将FWD与IGBT集成到一起的设计;此外,在功能上也有集成,如集成电流、温度传感器等。

 

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车用SiC器件研发进展

 

在当今的功率半导体领域,SiC器件越来越受到重视,车用的功率半导体也不例外。那么,市场为什么会如此青睐SiC呢?对此,赵善麒总结道:1、SiC器件的工作结温在200℃以上,工作频率在100kHz以上,耐压可达20kV,这些性能都优于传统硅器件;2、SiC器件体积可减小到IGBT整机的1/3~1/5,重量可减小到40~60%;3、SiC器件还可以提升系统的效率,进一步提高性价比和可靠性。

 

在电动车的不同工况下,SiC器件与IGBT的性能对比情况如下图所示,不同工况下,SiC的功耗降低了60~80%,效率提升了1~3%。

 

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因此,效率的提升使得电动汽车的续航能力提高了10%,PCU的尺寸减小到原来的1/5,更为重要的是,系统成本比IGBT的有明显下降,如下图所示。

 

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从SiC MOSFET横向对比来看,其产品元胞结构技术能力各不相同,而它们的产品发展方向都趋向于更高电压、更大电流或更高的电流密度。

 

当然,有优势就有不足,赵善麒认为,SiC芯片目前面临的挑战主要包括:1、成品率低,成本高;2、SiC和SiO2界面缺陷多,栅氧长期可靠性是个问题;3、SiC MOSFET缺少长期可靠性数据。

 

谈到SiC器件研发进展,特别是SiC混合开关模块存在的问题时,中科院电工所研究员温旭辉女士表示,当前,SiC芯片载流能力低,而成本过高,同等级别的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开通,后于IGBT关断,而IGBT可以实现ZVS(零电压开关),可大幅降低损耗。

 

因此,总体来看,硅基IGBT的电气特性接近SiC MOSFET芯片的90%,而成本则是SiC MOSFET的25%,

 

温旭辉表示,在进行SiC混合开关模块门极驱动开发时,存在着SiC芯片高速关断时,会引起IGBT误动作的问题,而解决这一问题的方法是:1、使用具有Miller钳位功能的驱动芯片;2、优化门极驱动PCB,降低相关路径的杂散阻抗。

 

综上,温旭辉认为,由于硅便宜又好用,因此,SiC和硅混合开关模块会有很大的市场应用前景,而纯SiC芯片及器件要想在汽车功率系统当中普及,还需要时间。

 

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