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SiC助力功率半导体器件的应用结温升高,将大大改变电力系统的设计格局

2020-11-19
作者:罗宁胜 博士,Cissoid 中国总经理
来源:CISSOID

Yole Development 的市场调查报告表明,自硅功率半导体器件诞生以来,应用的需求一直推动着结温升高,目前已达到150℃。随着第三代宽禁带半导体器件(如SiC)出现以及日趋成熟和全面商业化普及,其独特的耐高温性能正在加速推动结温从目前的150℃迈向175℃,未来将进军200℃。借助于SiC的独特高温特性和低开关损耗优势,这一结温不断提升的趋势将大大改变电力系统的设计格局。这些典型的、面向未来的高温、高功率密度应用,包括深度整合的电动汽车动力总成、多电和全电飞机乃至电动飞机、移动储能充电站和充电宝,以及各种液体冷却受到严重限制的电力应用。

 

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图1:功率器件的应用结温在不断升高(来源于Yole Development 的市场研究报告)

电动汽车的动力总成(电机、电控和变速箱)已走向三合一,但目前仅仅是在结构上堆叠在一起,属于弱整合。未来在结构上,动力总成的深度整合是必然路径,因为,这样可能使体积减少约三分之一,重量减少约三分之一,内耗减少约三分之一,并有可能使总成本压缩2至4倍。然而,电控部分将与电机紧密结合,深度整合使功率密度大幅提高,高温即是所面临的不可回避的最大挑战。

传统飞机中控制尾舵、机翼、起落架等机械动作都是靠经典的液压传动。液压油作为液体,受环境影响很大并且维护成本很高,目前已趋向于部分或全部的电气化,此即多电和全电飞机的概念。在飞机上采用电机替代液压油路实现机械操作,可靠性高、可维护性强,且方便冗余备份设计。然而,最大的困境是飞机上的电机和电控不允许配备水冷,且只能依靠强制风冷及自然冷却,因此,实现多电或全电飞机、乃至电动飞机的电控设计,需要率先解决的重大技术难题即是高温。

另外,在许多应用场景中,半移动式储能充电站和全移动式充电宝将有效地填补固定式充电的缺失,特别是随着电动车大规模普及,这一点将表现得更为明显。然而,对于这类移动充电应用,水冷机构将不仅带来额外重量和体积负担,更重要的是它会消耗自身携带的存储电能,因此,电控采用自然冷却将是佳径,但必须妥善处理好电控系统热管理的问题。

除了上述三种典型的高温应用外,在许多特种工业应用中,液体冷却受到严重限制时,电控系统将面临同样的高温挑战。耐高温的电控技术是实现以上高温应用的关键,其核心实现技术是SiC功率器件的高温封装技术和与之相匹配的高温驱动电路技术。

SiC材料及其器件结构有天生的耐高温能力,在真空条件下甚至可耐达400至600℃的高温。在实际应用中,为防止接触空气而产生氧化,SiC器件必须有封装,且若要耐高温,必须采用耐高温的封装。结温150℃是业界目前的最高标准,175℃结温等级刚刚开始展露,有准标准化封装可以采用,而200℃乃至更高温的封装对封装材料和工艺要求十分严苛,而且必须根据裸片特征进行定制设计,以保证导热和散热性能要求。

SiC功率器件和模块的应用离不开驱动电路及其相应的芯片。然而,大多数驱动电路芯片都是普通的硅器件,均不能耐高温,其若能在高温如175℃下工作1000小时,已经是凤毛麟角了。另外,耐高温只是问题的一方面,更严重的是高温时器件性能的一致性问题。普通硅器件在70℃之上性能弱化得非常之快,因此在高温下无法应用。历经二十多年创新研发和应用考验,Cissoid公司SOI特种硅器件已实现杰出的耐高温能力,其在175℃时可连续工作15年之长,且全温度范围内性能有极佳的一致性,是支持SiC高温应用的支柱。

Cissoid 公司基于SOI的特种硅半导体技术,全面突破了硅半导体器件的温度困境,明显地规避了硅器件的温度载流子效应(本征载流子浓度随温度升高而升高)和结温效应(有效结势垒随温度升高而缩减)的影响,不仅能耐高温并长期工作,而且可在全温度范围保持良好的性能一致性。因此,Cissoid 公司的高温半导体器件长期以来为航空航天和石油勘探领域所青睐,且已有近二十多年高温应用历史和经验。近年来,随着第三代半导体SiC功率器件的普及,Cissoid 开发了针对SiC MOSFET的耐高温驱动芯片和方案。这一独特的耐高温性能使其得以尽可能地靠近SiC功率模块,以使驱动回路的寄生电感达到最小,从而更有效地抑制振铃并实现最佳的效率。

最近,针对电动汽车和全电/多电飞机的功率电驱动应用,Cissoid还推出了三相全桥1200V SiC MOSFET智能功率模块(IPM)体系,该体系是一个可扩展的平台系列。该体系利用了低开关损耗技术,提供了一种已整合的解决方案,即IPM。IPM是由门极驱动电路和三相碳化硅功率模块组成,两者的配合已经过优化和协调,实现了SiC器件优势的充分利用。目前出品的CXT-PLA3SA12450AA模块的额定结温高达175°C,门极驱动电路可以在高达125°C的环境中运行。另外,随应用条件和场景的需求,通过更换更高等级的被动元器件和主要芯片及模块的封装可以进一步提升运行温度等级。

 

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图2:CXT-PLA3SA12450AA三相全桥1200V/450A SiC MOSFET智能功率模块

自硅半导体器件诞生以来,高温应用一直是其应用之命门。Cissoid创新的特种SOI硅芯片技术,率先在高温半导体分立器件和小规模集成电路上实现了重大突破。随着第三代半导体如SiC功率半导体器件的日趋成熟和普及,其固有的耐高温性能与Cissoid高温半导体器件形成了非常好的搭配,由此将大大改变电力系统设计的格局,为设计工程师提供了全新的拓展空间。


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