【導讀】雙碳目標正加速推進汽車向電動化發展，半導體技術的創新助力汽車從燃油車過渡到電動車，新一代半導體材料碳化硅(SiC)因獨特優勢將改變電動車的未來，如在關鍵的主驅逆變器中采用SiC可滿足更高功率和更低的能效、更遠續航、更小損耗和更低的重量，以及向800 V遷移的趨勢中更能發揮它的優勢，但面臨成本、封裝及技術成熟度等多方面挑戰。安森美(onsemi)提供領先的智能電源方案，在SiC領域有著深厚的歷史積淀，是世界上少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商之一，其創新的VE TracTM Direct SiC和VE-TracTM B2 SiC方案采用穩定可靠的平面SiC技術，結合燒結技術和壓鑄模封裝，幫助設計人員解決上述挑戰，配合公司其他先進的智能功率電源半導體，加快市場采用電動車，助力未來的交通邁向可持續發展。
電動車主驅發展趨勢
無論電動車的配置如何，是完全由電池驅動還是串聯插電式或并聯混動傳動系統，車輛電氣化都有這幾個關鍵因素：首先，電量存儲在電池內，然后直流電通過逆變器轉換為交流輸出，供電機轉化為機械能來驅動汽車。因此，主驅逆變器的能效和性能是關鍵，將直接影響電動車的性能以及每個充電周期可達到的行駛里程。
電動車主驅追求更大功率、更高能效、更高母線電壓、更輕重量和更小尺寸。更大功率意味著更大的持續扭矩輸出，更好的加速性能。更高能效可使續航更遠，損耗更低。400 V電池是當前主流，即將向800 V發展。800 V架構可減短充電時間和降低損耗并減輕重量，從而使續航里程更遠。無論電機是在前軸還是在后軸，更小的電機尺寸都使得可利用的后備箱和乘客空間更大。這些趨勢推動了電動車主驅中的功率器件從IGBT向SiC轉型。
SiC是主驅逆變器的未來
SiC最重要的特性之一是它的禁帶帶隙比Si寬，電子遷移率是Si的3倍，帶來更低的損耗。SiC的擊穿電壓是Si的8倍，高擊穿電壓和更薄的漂移層，更適合高電壓架構如800 V。SiC的莫氏硬度為9.5，只比最硬的材料鉆石稍軟，比Si硬3.5，更適合做燒結，器件燒結后使可靠性得以提升，導熱性增強。SiC的導熱系數是硅的4倍，更易于散熱，從而降低散熱成本。
在逆變器層面或整車層面，SiC MOSFET都能實現比IGBT更低的整體系統級成本、更好的性能和質量。SiC MOSFET相對于IGBT用于主驅逆變器應用中的關鍵設計優勢有：
● SiC使單位面積的功率密度更高，特別是在更高的電壓下（如1200伏擊穿）
● 小電流下導通損耗比較低，導致在低負載時有更高的能效
● 單極性的行為，可在更高溫度下工作，開關損耗更低
VE-TracTM SiC系列：燒結工藝+壓鑄模SiC技術，專為主驅逆變而設計
安森美推出的針對主驅逆變特定封裝的SiC產品有：VE-TracTM Direct SiC (1.7 m? Rdson, 900 V 6-pack) 功率模塊，VE-TracTM Direct SiC (2.2 m? Rdson, 900 V 6-pack) 功率模塊，VE-TracTM B2 SiC (2.6 m? Rdson, 1200 V 半橋) 功率模塊，提供行業里與IGBT或SiC高度兼容的封裝管腳，減少結構的變更設計工作。
圖1：VE TracTM Direct SiC (左) 和VE TracTM B2 SiC (右)
為提高功率輸出，散熱至關重要。為了達到最佳的散熱效果，安森美VE-TracTM Direct SiC采用最新的銀燒結工藝，將SiC裸芯直接燒結在DBC上，DBC焊接到Pin Fin底板，底板下是冷卻液，這樣，芯片結和冷卻液之間的直接冷卻路徑有助于大大減少間接冷卻的熱阻，從而確保更大的功率輸出，如1.7 m? Rdson 的VE-TracTM Direct SiC熱阻達到0.10℃/W，比VE-TracTM Direct IGBT的熱阻低20%。
圖2：VE-TracTM Direct SiC 關鍵功能
差異化的壓鑄模封裝技術，比傳統的凝膠模塊可靠性更高，功率密度更高，雜散電感更低，散熱性能更好，易于擴展功率，更具成本優勢，由于SiC可耐受的工作溫度高達200℃，持續工作時間達到175℃，因此含SiC的塑封壓鑄模封裝比壓鑄模IGBT模塊進一步提高工作的溫度，使得輸出的功率更高。
安森美在相同的條件下對VE-TracTM Direct IGBT和VE-TracTM Direct SiC進行仿真對比，它們提供同樣的輸出功率時，VE TracTM Direct SiC的結溫比VE TracTM Direct IGBT低21%，因而損耗更低，使能效得以提升。
圖3：仿真結果：SiC損耗更低
能效的提升，相當于更遠的續航里程或更低的電池成本。例如，使用相同的100 kWh電池，用SiC方案的續航里程比用Si遠5%。如果目標是節約成本，可減少電池尺寸以提供相同的續航能力。例如從140 kWh電池的Si方案改用 100 kWh電池的SiC方案， 電池成本降低5%，但續航里程不變。
在同樣的450 V直流母線和150 ℃結溫(Tvj)條件下，820 A的IGBT可提供590 Arms的電流，輸出功率213 kW，相當于285馬力(HP)。2.2 mOhm SiC可提供605 Arms的電流，輸出功率220 kW，相當于295 HP。1.7 mOhm SiC可提供760 Arms電流，輸出功率274 kW，相當于367 HP。
為何選用安森美的VE-TracTM SiC？
SiC在MOSFET中的應用已超過10年，卻沒有被汽車廠商廣泛用于主驅方案中，是因為面臨SiC比硅基IGBT的成本高、供貨和供應、實施困難、技術成熟度、封裝不適合主驅方案等多個挑戰。
安森美在SiC領域的歷史可追溯到2004年，近年又收購了上游SiC供應企業GTAT，實現產業鏈的垂直整合，是世界上少數提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商，包括SiC晶錠生長、襯底、外延、器件制造、同類最佳的集成模塊和分立封裝方案，保證穩定可靠的供應鏈，有助于成本的優化。在系統方面，安森美也有很強的技術和系統知識，為客戶提供全球的應用支持。GTAT工藝的主要優點之一是其SiC能提供非常精確的電阻率值, 且其整個晶體的電阻率分布非常均勻。此外，安森美正推進6英寸和8英寸SiC晶體生長技術，同時還將對更多SiC供應鏈環節進行投資，包括晶圓廠產能和封裝線。同時，安森美憑借多年的技術積累以及幾年前收購Fairchild半導體基因帶來的技術補充，不斷迭代，其SiC技術已經進入第三代，綜合性能在業界處于領先地位。
圖4：安森美SiC的領先地位
VE-TracTM SiC與VE-TracTM IGBT的封裝管腳高度兼容，所以從IGBT轉向SiC減少了結構變更設計工作，同時，VE-TracTM SiC沿用了VE-TracTM IGBT的壓接設計，焊接可靠，可在175℃持續工作，符合車規AECQ101和AQG324，功率級可靈活擴展。
VE-TracTM B2 SiC在一個半橋架構中集成了安森美的所有SiC MOSFET技術。裸片連接采用燒結技術，提高了散熱性、能效、功率密度和可靠性，可在175℃持續工作甚至可短期工作在200℃，符合AQG 324汽車功率模塊標準。B2 SiC模塊結合燒結技術用于裸片連接和銅夾，壓鑄模工藝用于實現可靠的封裝。其SiC芯片組采用安森美的M1 SiC技術，從而提供高電流密度、強大的短路保護、高阻斷電壓和高工作溫度，在電動車主驅應用中帶來領先同類的性能。
圖5：VE-TracTM B2 SiC價值定位
未來的產品和800 V電池的優勢
由于SiC擁有更高的擊穿電壓，將使800 V電池架構得到廣泛采用。更低的電流產生更少的熱量，而更高的直流電池電壓，增加逆變器的功率密度。從整車層面來看，更高的電壓，電流就減小，因而截面的電纜和連接器也更小，重量更輕，在大電流如35 kW以上的充電條件下有更快的充電速度，性能也得到更好的提升，所以在高性能車型中會優先采用800 V架構。
總結
SiC將改變電動車的未來。安森美是世界上為數不多能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案的供應商之一，其專為主驅逆變設計的VE-TracTM Direct SiC和VE-TracTM B2 SiC采用差異化的壓鑄模封裝和創新的燒結工藝，符合車規，提供更好的散熱性，損耗更低，功率更大，能效更高，使得新能源汽車的續航里程更長，電池更小，加上技術團隊提供的應用支援，幫助從成本、供貨、技術、封裝等方面解決將SiC用于主驅的挑戰，并推進電動車從400 V向800 V發展。未來，安森美將持續創新，提供領先的智能電源方案，包括IGBT、SiC和VE-TracTM模塊，賦能更強大可靠的汽車產品，幫助加快市場采用電動車，并使未來的交通邁向可持續發展。
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