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[分享] 适用于汽车应用的可靠SiC功率器件

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发表于 2019-5-5 12:13:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
动力装置是电动和混合动力电动汽车的关键元件。作为SiC功率器件的技术领导者之一,自2012年以来,Rohm一直为电动汽车制造商提供SiC功率器件。

ROHM的使命是生产始终符合高可靠性标准的功率器件。这一理念使罗姆能够通过稳定增长的需求和与客户的密切合作,增加汽车领域的碳化硅业务。本文重点介绍汽车级SiC功率器件,包括它们的一些常见应用和可靠性数据。详细地,这包括SiC MOSFET和肖特基势垒二极管及其主要目标应用的概述,例如电池充电系统和动力传动系逆变器。我们特别关注器件的鉴定过程,包括可靠性测试的实验结果,如栅极氧化物可靠性,宇宙辐射粗糙度和SiC MOSFET的体二极管双极降解效应。

电动汽车(EV)的前景已经大大改善,将电动汽车转变为重要的主题。汽车制造商,工业公司和研究机构联合起来推动计划中的混合动力和电动汽车的大规模生产。在此过程中,新开发的电力电子系统也被集成到电动汽车中。由于汽车原始设备制造商要求的特殊要求,系统开发人员面临新的挑战。所需的空间,重量和效率起着重要作用。此外,整体系统成本和费用应保持较低,同时需要保证产品的顶级质量和可靠性。

为了将电动汽车成功整合到移动领域,需要克服技术障碍,以便能够突破现有限制的障碍。汽车制造商普遍认为,标准方法并不总能达到电动汽车的性能指标或满足所有设计限制。汽车的自主范围直接反映了动力传动系效率和能源管理系统。另一方面,诸如几百千瓦的高功率快速充电系统的公共基础设施系统必须在严格的尺寸和效率限制下操作。半导体材料SiC及其物理性质似乎具有满足这些新市场需求所需的所有潜力。

Rohm是SiC基功率器件的市场领导者,与汽车制造商的合作可追溯至2012年,其中包括SiC肖特基势垒二极管(SiC SBD)在电池充电系统中的应用。只有通过提供高可靠性和质量标准才能实现这一目标。在过去几年中,汽车市场需求的不断增长使得罗姆将重点转移到这个市场,旨在满足这一特定行业在各个方面的需求。很明显,新技术不仅带来改进,而且还带来许多问题。可靠性和质量等主题与它们获得的性能优势同样重要。在罗姆,我们意识到这一点,并尽力在性能,技术创新和质量之间取得良好的平衡。

本文概述了我们的汽车级功率器件产品组合,其中包括SiC MOSFET和SiC SBD。本文的第一部分重点介绍我们的设备应用以及新的市场趋势。另一部分致力于选择与SiC MOSFET可靠性相关的实验结果。

图1:Rohm用于功率器件的内部集成制造系统

Rohm的内部电源设备开发

我们的内部集成制造系统可以确保我们的SiC功率器件的高质量标准,其中器件制造的每个方面都在我们的控制之下,参见图1.这开始于SiC衬底生产,其中高优质晶圆由原硅和碳粉制成。衬底是器件质量的关键元素,因为一些失效机制与低质量晶片中存在的材料缺陷直接相关。该生产步骤由我们的子公司SiCrystal在德国进行,SiCrystal是SiC衬底制造的市场领导者。高质量的衬底晶圆可以制造可靠和创新的功率器件,这是Rohm对SiC功率半导体技术发展贡献的核心。这已经通过分别在2010年和2015年成功引入SiC平面和沟槽MOSFET得到了证明。功率器件在第二步中作为裸芯片产品出售,或者作为分立器件或电源模块封装。分立器件可以在通孔技术(THT)中找到,也可以作为表面贴装器件(SMD),电源模块以工业标准的C和E型格式提供。我们对设备制造流程,质量控制和可追溯性系统的完全控制使我们能够识别和纠正生产链任何阶段可能出现的问题。分立器件可以在通孔技术(THT)中找到,也可以作为表面贴装器件(SMD),电源模块以工业标准的C和E型格式提供。我们对设备制造流程,质量控制和可追溯性系统的完全控制使我们能够识别和纠正生产链任何阶段可能出现的问题。分立器件可以在通孔技术(THT)中找到,也可以作为表面贴装器件(SMD),电源模块以工业标准的C和E型格式提供。我们对设备制造流程,质量控制和可追溯性系统的完全控制使我们能够识别和纠正生产链任何阶段可能出现的问题。

汽车级SiC功率器件

汽车应用中使用的元件必须符合比工业应用更高的资格标准。对于功率器件,标准AEC-Q101描述了分立半导体需要通过的压力测试,以获得汽车级认证。表1总结了Rohm符合该标准的SiC SBD和MOSFET产品组合。


表1:Rohm产品系列中的汽车级SiC功率器件,仅次于AEC-Q101

SiC SBD可提供不同封装和额定电流,适用于650V和1200V的电压。它们属于具有极低正向电压和漏电流的第二代产品,自2012年起用于汽车应用.SIC MOSFET可用于平面技术(第2代)和TO-247外壳的1200V电压等级。新的沟槽设备(第3代)目前正在进行资格认证。

电力设备的EV应用

导电充电

如图2所示,SiC器件在汽车应用中的首次使用与导电电池充电器中的SiC SBD有关,也称为板载充电器(OBC)。它们旨在提供一种简单的解决方案,通过标准的家用连接为汽车充电,因此在单相和11kW的三相交流输入配置(IEC 62196之后的模式1)中限制为3.6kW。可以构建传统的单相3.6kW OBC,如图3所示。在这种情况下,两级PFC由二极管桥式整流器和升压转换器组成。隔离式DC / DC转换器通常通过变压器初级侧的全桥转换器和次级侧的二极管桥实现。为了在PFC级实现最佳效率,650V SiC SBD已经用作升压二极管,因为Si器件会将开关频率限制在不需要的水平。随着效率水平的提高,OBC的下一个发展阶段包括用于PFC和DC / DC全桥开关的650V SiC MOSFET。将1200V SiC SBD用于输出整流器对于在高电压下工作的电池也是一种有吸引力的解决方案。作为即将推出的所有SiC OBC的参考,[1]中提出的系统使用1200V SiC MOSFET和3.1kW输出功率的SBD实现了超过95%的效率水平。

图2:汽车应用中SiC功率器件的潜力

图3:电动汽车充电系统的示例

无线充电

电动汽车的无线充电也是电池充电系统的一个有吸引力的解决方案,虽然连接的简易性转化为更高的系统复杂性和更低的效率,参见图3.SIC设备可以在这些转换器中发挥关键作用,其效率(> 90%) )使用标准Si器件很难实现即将到来的SAE J2954标准中规定的85kHz工作频率要求。在[2]中提出的优化设计中,通过在50kW系统中使用1200V SiC MOSFET,可以估计大约94%的效率(交流电源到电池)。

动力传动系逆变器

动力传动系逆变器中使用的功率半导体经受高热和负载循环。它们必须具有高短路耐用性并且需要高额定功率。目前的解决方案主要基于Si IGBT,因为这种技术提供了高成熟度和低价格。然而,宽带隙技术在系统级别上的优势,例如体积减小和效率提高,正在转移人们对SiC MOSFET的兴趣,作为未来逆变器中Si IGBT的替代品,见图2.为了展示这一趋势,Rohm与之合作Venturi Formula-E团队,我们为全电动赛车的主牵引逆变器提供SiC SBD和MOSFET。本赛季有赛车配备Si IGBT和SiC SBD,

图4:使用SiC SBD技术改进Formula-E赛车的动力传动系逆变器的性能和尺寸减小

SiC MOSFET可靠性

SiC技术在电力电子系统中的优势非常明显,如上一节中简要讨论的那样。为了利用它们,需要实现类似于Si功率器件(例如功率MOSFET和IGBT)所实现的可靠性水平。这带来了与传统Si技术中未知的这些器件中存在的新现象相关的若干技术挑战。功率器件制造商的成功与掌握它们和开发稳定工艺的能力密切相关,这些工艺以合理的价格确保高可靠性,同时不忽视器件性能。Rohm功率器件旨在实现性能和可靠性之间的良好折衷,这已在市场中获得积极响应。

栅氧化层可靠性

在谈论SiC MOSFET时,栅极氧化物的可靠性通常是一个普遍关注的问题。早期的设备遇到了一些问题,使许多人认为很难找到合适的解决方案。多年的持续改进显示出相反的结果。Rohm的商用器件具有高栅氧化层可靠性,寿命值远超过20年,如图5和图6所示。图5显示了第二代的生命周期图。平面和第三代。沟槽MOSFET,基于高温反向阻断(HTRB)测试。该测试对器件施加反向电压和高温。在器件内部积聚的电场对栅极氧化物界面施加应力,直至其失效。对于许多设备重复这一过程并记录结果。通过外推实验结果,获得在1200V的最坏情况操作条件下器件的寿命为950V。对于两种设备类型,这产生超过100年的寿命。

栅极氧化物的另一个临界条件与导通状态有关。在这种情况下,应力集中在栅极和源极端子之间,因为需要正电压来导通MOSFET沟道。Rohm的MOSFET的推荐栅源电压为+ 18V。对于加速测试,施加40至50V之间的电压。这些结果的外推表明,栅极 - 源极电压高于30V时,寿命为20年。因此,+ 18V的操作不应该是关于氧化物寿命的问题。

图5:基于1200V SiC MOSFET的高温反向偏置(HTRB)测试的寿命计算(每个数据点10个,Tj = 150°C,2G失败70%,3G失效50%)

图6:基于1200V SiC MOSFET的高温栅极偏置(HTGB)测试的栅极氧化物寿命计算(每个数据点10个,Tj = 175°C,2G失败70%,3G失效50%)

宇宙辐射坚固性

我们的行星处于原子粒子形式的恒定宇宙辐射下,已知会导致功率半导体器件出现故障。入射中子与器件的原子晶格碰撞,产生高度局部化的电流,最终导致器件失效。这种效应称为单事件烧坏(SEB),只有在超过某个阈值的电压施加到器件时才会发生,通常约为器件击穿电压的70%[3]。在传统的Si IGBT和MOSFET中,工作电压限制在器件电压等级的80%,以保持100 FIT的速率。对于要求较低故障率级别的应用,使用较高电压等级的设备很常见。除施加电压外,其他影响故障率的参数是器件面积,半导体材料特性和环境条件。已经成功地进行了用于评估新SiC功率器件的宇宙辐射耐久性的研究。图7显示了在瑞典ANITA工厂进行的测试结果[4]。该研究得出结论,SiC沟槽MOSFET在SEB方面的性能优于同类Si器件。这使得可以在比Si器件更高的电压下操作它们,其中FIT速率仍处于合理的水平。通过考虑在不久的将来电动汽车电池系统达到800V的电压水平,这是SiC器件的一个有吸引力的特征。

图7:基于[4]的数据,1200V Si IGBT和Rohm SiC沟槽MOSFET的宇宙辐射引起的SEB故障率
体二极管稳定

晶体缺陷和SiC MOSFET的制造工艺都对体二极管的稳定性有很大影响。通过在正向电流流动时获得空穴 - 电子复合的能量,某种类型的晶体位错将其类型从线性变为平面形状。这可能导致体二极管和MOSFET的导通电阻降低。基于其在基板,外延生长和器件级别的不同制造工艺方面的专业知识,Rohm的器件不会出现双极降解效应。对Rohm的20个平面MOSFET进行的直流电流应力测试表明,即使在用10A保持体二极管1000小时后,这些器件也不会出现明显的降级,因为正向电压保持不变,见图8。

图8:直流电流应力测试期间体二极管的正向电压(SCT3040KL,IF = 10A,Tj = 175°C,20个,GD短路)

雪崩模式功能

某些应用要求功率器件能够无故障地进入雪崩模式。这通常是由于高di / dt和寄生电感引起的过电压引起的。例如,使用长电缆意外中断直流充电过程。其他应用要求将电源开关连接到电感负载,其中在设计中考虑器件的雪崩模式。没有雪崩能力的器件(如IGBT)依靠电压缓冲电路和有源栅极控制来避免器件损坏。平面或沟槽结构的SiC MOSFET具有固有的雪崩耐用性。图9显示了单脉冲雪崩工作期间平面MOSFET的波形。经测试的器件能够在不失效的情况下耗散1.2J。

图9:2G MOSFET SCT2080KE(平面)的雪崩工作模式波形

结论

电动汽车技术正在经历严重的发展,并将在几年内改变机动性格局。由于高性能要求,将从传统解决方案转向新概念。SiC器件具有改善的物理性能,是这一新领域的关键要素。正如一些应用示例简要讨论的那样,系统级别的好处很明显。Rohm SiC器件的可靠性不断提高; 他们作为汽车级设备的资格证明了这一点。

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发表于 2019-6-29 10:43:04 | 显示全部楼层
谢谢分享,不过图片挂了
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