使用SiC技术攻克汽车挑战

WInSiC4AP: 采用SiC宽带隙创新技术开发先进功率器件

关键词 - SiC，封装，汽车，功率电子

简介

WInSiC4AP联盟由来自4个欧盟国家（意大利、法国、德国和捷克共和国）的20个合作伙伴组成，包括大型企业、中小企业、大学和政府科研机构。在这种背景下，企业（汽车制造、航空电子设备、铁路和国防）和垂直产业链（半导体供应商，电感器和电容器厂商）以及学术机构和研究实验室将合作设计解决方案，解决技术难题，分享专有知识，同时也可能出现无法预料的结果。WInSiC4AP的核心目标是为高能效、高成本效益的目标应用开发可靠的技术模块，以解决社会问题，克服欧洲在其已处于世界领先水平的细分市场以及汽车、航空电子、铁路和国防领域所面临的技术挑战。WInSiC4AP方法是依靠产业垂直整合的优势，按照应用需求优化技术，发展完整的生态系统，并将相关问题作为可靠性问题给予全面分析。在当今美日等国家正在发展碳化硅技术，新企业抢占市场的背景下，该项目将提升欧盟工业、一级和二级供应商以及产业链下游企业的竞争力。项目组将针对目标应用开发新的拓扑结构和架构，在实验室层面模拟操作环境，推进目前急需的还是空白的技术、元器件和演示产品的研发工作，以缩小现有技术水平与技术规范的极高要求之间的差距。

在开始讨论技术和开发目标前，先看一下图1的电动汽车概念的简单示意图。在这种情况下，功率转换系统和牵引电机所用的电子元器件是本项目的研究方向。

图1：电动汽车工作原理示意图

[资料来源：卡塔尼亚大学演讲文稿]

图2是大家都熟悉的硅和宽带隙材料（SiC，GaN）的比较图。在开关频率不是重点的汽车应用中，卓越的驱动性能和宽广的工作温度范围让SiC成为电动汽车设计者的首选功率器件。

 

图2：Si、SiC和GaN的特性优值比较[来源：YoleDéveloppement]

                                                                                                                                                   I.     WInSiC4AP 的主要目标

A.    主要目标

WInSiC4AP致力于为高能效、高成本效益的目标应用开发可靠的技术模块，以解决社会问题，并克服欧洲在其已处于世界领先水平的细分市场以及汽车、航空电子、铁路和国防领域所面临的技术挑战。

B.    演示品

所有技术开发和目标应用的讲解和展示都是使用含有本项目开发出来的SiC技术模块和封装的原型演示品：

汽车与铁路：

1.PHEV（插电式混动汽车）或BEV（纯电动汽车）车载充电器

2.HEV（混动汽车）、BEV和FC（燃料电池汽车）隔离式DC-DC转换器

3. 铁路机车智能功率开关（IPS-RA）

4. 航空级智能功率开关（IPS-AA）

 

纳 / 微电网与航空电子：

5.用于纳米/微电网V2G / V2H的高效双向SiC功率转换器

6.航空电子逆变器。

航空电子：

7. LiPo接口

8.引擎控制器 - 逆变器

该项目的实施分为三个主要阶段：规范和用例定义，技术开发，原型演示品开发。

                                                                                                                                         II.    WInSiC4AP项目中的SiC技术

SiC器件的制造需要使用专用生产线，这是因为半导体的物理特性（掺杂剂的极低扩散性和晶格的复杂性），以及市场现有晶片的直径尺寸较小（150mm），特别是离子注入或掺杂剂激活等工艺与半导体器件制造工艺中使用的常规层不相容[1]。

因此，这些特异性需要特殊的集成方案。

使用这些方法将可以实现截止电压高于1200V和1700V的两种SiC功率MOSFET，电流强度为45A，输出电阻小于100mΩ。

这些器件将采用HiP247新型封装，该封装是专为SiC功率器件设计，以提高其散热性能。SiC的导热率是硅[2]的三倍。以意法半导体研制的SiC MOSFET为例，即使在200°C以上时，SiC MOSFET也能保持高能效特性。

WInSiC4AP项目的SiC MOSFET开发活动主要在2018年进行。图3、图4、图5分别给出了器件的输出特性、阈值电压和击穿电压等预测性能。

 

图3 ： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200℃时的电流输出特性。

 

在整个温度范围内，输出电阻远低于100 mOhm; 当温度从25℃上升到200℃时，阈值电压值（Vth）降低了600mV，击穿电压（BV）上升了约50V，不难看出，SiC MOSFET性能明显高于硅MOSFET。

 

图4 ：SiC SCT30N120中的MOSFET在25和200°C时的阈值电压

 

图5： SiC SCT30N120中MOSFET在25和200°C时的击穿电压特性

 

从其它表征数据可以看出，随着温度从25℃上升至200℃，开关耗散能量和内部体漏二极管的恢复时间保持不变。

本项目开发的新器件将会实现类似的或更好的性能。Rdson降低是正在开发的SiC MOSFET的关键参数。最低的Rdson值将帮助最终用户实现原型演示品。

                                                                                                                                                                      

III.   功率模块

:

WInSiC4AP项目设想通过技术创新开发先进的封装技术，发挥新型SiC器件能够在高温[3,4]下输出大电流的性能优势。

关于封装技术，WInSiC4AP将一方面想在完整封装方案的高温稳健性方面取得突破，另一方面想要控制封装温度变化，最终目标是创造新的可靠性记录：

ü 可靠性是现有技术水平5倍多; 高温性能同样大幅提升

ü 能够在200°C或更高温度环境中工作。

项目将针对集成式SiC器件的特性优化封装方法，采用特别是模塑或三维立体封装技术，开发新一代功率模块，如图6所示。

 

 

 

图6： 新一代功率模块（here 3D）

 

 

考虑到SiC是一种相对较新的材料，SiC器件的工作温度和输出功率高于硅的事实，有必要在项目内开发介于芯片和封装（前工序和后工序）之间的新方法和优化功率模块。

事实上，为满足本项目将要开发的目标应用的功率要求，需要在一个功率模块内安装多个SiC器件（> 20个）。功率模块需要经过专门设计，确保器件并联良好，最大限度地减少导通损耗和寄生电感，开关频率良好（最小20kHz）。

图7所示是本项目将使用的一个模块。

 

图7：STA5汽车功率模块（最大功率100kW）。

                                                                                                                                                                             

IV.   结论

得益于SiC材料的固有特性，新一代功率器件提高了应用能效，同时也提高了工作温度。

从项目的角度看，热动力汽车向混动汽车和最终的电动汽车发展，需要使用高效的先进的电子产品，我们预计碳化硅技术在新车中的应用将会对经济产生积极的影响。

 

致谢

WInSiC4AP项目已获得ECSEL JU（欧洲领先电子元件系统联盟）的资金支持（拨款协议No.737483）。该联盟得到了欧盟Horizon 2020研究和创新计划以及捷克共和国、法国、德国、意大利政府的支持。                       

 

作者：

Antonio Imbruglia, Mario Saggio, Marco Renna, Emanuele Scrofani
STMicroelectronics: ADG (Automotive and Discrete Group)
R&D Power and Discrete FE&BE Technologies
Stradale Primosole 50, I-95121 CATANIA antonio.imbruglia@st.com

 

 

参考文献

[1]     T. Kimoto, J. Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, characterization, Devices and Applications, John Wiley & Sons, Singapore Pte. Ltd. (2014)

[2]     F. Roccaforte, P. Fiorenza, G. Greco, R. Lo Nigro, F. Giannazzo, A. Patti, M. Saggio, Phys. Status Solidi A 211, No. 9, 2063–2071 (2014)

[3]     M. Saggio, A. Guarnera, E. Zanetti, S. Rascunà, A. Frazzetto, D. Salinas, F. Giannazzo, P. Fiorenza, F. Roccaforte, Mat. Sci. Forum 821-823 (2015) pp. 660-666.

[4]     F. Roccaforte, P. Fiorenza, G. Greco, R. Lo Nigro, F. Giannazzo, F. Iucolano, M. Saggio, Microelectronic Engineering, 187-188 (2018) 66-77.