近年來，電動(dòng)汽車行業(yè)正迅速崛起，成為了當(dāng)今汽車市場(chǎng)的一個(gè)重要領(lǐng)域。消費(fèi)者對(duì)于清潔能源和高效能源利用的關(guān)注不斷上升，以及政府對(duì)碳排放的監(jiān)管加強(qiáng)，都推動(dòng)了電動(dòng)汽車的市場(chǎng)需求。
作者：Raffael Schnell, VP Product Management & Applications, SwissSEM Technologies
張強(qiáng)，賽晶亞太半導(dǎo)體科技（浙江）有限公司
電動(dòng)汽車的市場(chǎng)定位不僅在于其外觀和高性能，還在于創(chuàng)新和綠色科技的結(jié)合。這些汽車通常采用最先進(jìn)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以提供卓越的性能和高功率輸出。同時(shí)，輕量化設(shè)計(jì)和材料選擇是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵特點(diǎn)，旨在提高能源效率并延長(zhǎng)電池續(xù)航里程。
在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中，賽晶亞太半導(dǎo)體SwissSEM HEEV封裝SiC模塊成為了一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新。它不僅能夠滿足高功率要求，還能輕量化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)效率。
HEEV封裝SiC模塊采用了1200V SiC MOSFET芯片，特別適用于800V高壓平臺(tái)應(yīng)用。其Rds(on)僅為1.8mΩ@25℃，這意味著它具備卓越的導(dǎo)通特性，使其能夠應(yīng)對(duì)高達(dá)250kW的電驅(qū)動(dòng)功率要求。這一低電阻特性不僅有助于提高電動(dòng)汽車的效率，還能夠降低系統(tǒng)能耗，為用戶帶來更高的性能和更長(zhǎng)的續(xù)航里程。
一、HEEV封裝SiC模塊靜態(tài)參數(shù)
賽晶目前采用了經(jīng)過車規(guī)級(jí)認(rèn)證的兩種類型SiC晶圓，以下是這兩種晶圓的靜態(tài)特性對(duì)比表格：
通過對(duì)HEEV封裝SiC模塊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，賽晶成功地與行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的同規(guī)格封裝模塊進(jìn)行了比較，并取得了以下三項(xiàng)顯著的優(yōu)勢(shì)：
① 封裝體積：相較于頭部企業(yè)提供的同規(guī)格模塊，賽晶的封裝體積僅為其一半。這意味著賽晶的封裝更為緊湊，有助于電動(dòng)汽車系統(tǒng)的空間利用效率，同時(shí)也可以降低整車的重量和提高搭載性能。
② 連接阻抗：賽晶的模塊接觸電阻（Rd+Rss）僅為0.245mΩ，而相比之下，頭部企業(yè)的模塊的連接阻抗為0.5mΩ。這意味著賽晶的模塊在電流傳輸方面表現(xiàn)更加出色，減少了能量損失，提高了效率。
③ 雜散電感：賽晶的模塊寄生電感僅為4.1nH，而頭部企業(yè)的模塊則為6.5nH。這表示賽晶的模塊在高頻應(yīng)用中具有更低的雜散電感，有助于降低電磁干擾并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
二、HEEV封裝SiC模塊動(dòng)態(tài)特性分析
開通特性
HEEV封裝SiC模塊在125℃結(jié)溫、800V母線電壓，門極電阻分別為5Ω和3Ω對(duì)應(yīng)的開通暫態(tài)波形及相關(guān)數(shù)據(jù)如下圖所示，主要包含了開通電流ID、開通電流峰值IDm、開通di/dt，開通延時(shí)tdon，開通電流上升時(shí)間tr，開通損耗Eon等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
關(guān)斷特性
HEEV封裝SiC模塊在125℃結(jié)溫、800V母線電壓，門極電阻分別為5Ω和3Ω對(duì)應(yīng)的關(guān)斷暫態(tài)波形及相關(guān)數(shù)據(jù)如下圖所示，主要包含了關(guān)斷電流ID、關(guān)斷dv/dt，關(guān)斷延時(shí)tdoff，關(guān)斷電流下降時(shí)間tf，關(guān)斷損耗Eoff等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
HEEV封裝SiC模關(guān)斷2倍額定電流1500A的波形如下圖所示。從圖中可以觀察到，波形顯示沒有振蕩，而且電壓被有效地抑制在了1200V以下。這表明HEEV SiC模塊在關(guān)斷時(shí)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的魯棒性和穩(wěn)定性。這是非常重要的，特別是在高電流和高壓條件下，模塊的關(guān)斷特性對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。
反向恢復(fù)特性
HEEV封裝SiC模塊內(nèi)部續(xù)流二極管在125℃結(jié)溫、800V母線電壓，門極電阻分別為5Ω和3Ω對(duì)應(yīng)的反向恢復(fù)波形及相關(guān)數(shù)據(jù)如下圖所示，主要包含了關(guān)斷電流ID、反向恢復(fù)電荷Qrr、二極管關(guān)斷di/dt、反向恢復(fù)損耗Erec、二極管關(guān)斷電壓dv/dt和反向恢復(fù)電流IRR等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明HEEV SiC模塊的內(nèi)部續(xù)流二極管具有出色的反向恢復(fù)特性，包括低反向恢復(fù)電荷、低反向恢復(fù)損耗和較快的二極管關(guān)斷速度。這對(duì)于提高系統(tǒng)的效率、降低損耗以及減少電磁干擾都非常重要，特別是在高溫和高壓條件下。
三、HEEV封裝SiC模塊整機(jī)性能
俗話說，“好馬配好鞍”。為了充分發(fā)揮HEEV封裝SiC模塊的性能，賽晶特別為其設(shè)計(jì)了一套水冷方案，并配備了安裝壓條。功率模組的3D結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括以下三部分：
①橋式壓板：橋式壓板是功率模組的關(guān)鍵組件之一。它的主要作用是將HEEV封裝SiC模塊穩(wěn)固地安裝在系統(tǒng)中，并提供足夠的機(jī)械支持。這有助于確保模塊在高功率操作下不會(huì)受到機(jī)械振動(dòng)或沖擊的影響，從而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
② HEEV封裝SiC模塊是整個(gè)功率模組的核心。它包含SiC功率器件和相關(guān)電路，負(fù)責(zé)將電能從電源傳輸?shù)截?fù)載，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換。HEEV封裝SiC模塊的性能和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。
③ 水冷散熱器：水冷散熱器是用于散熱的關(guān)鍵組件。它通過水冷卻的方式將HEEV封裝SiC模塊的熱量有效地散發(fā)，保持模塊在適宜的工作溫度范圍內(nèi)。這有助于提高系統(tǒng)的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，尤其是在高負(fù)載和高溫環(huán)境下。
封裝優(yōu)勢(shì)
HEEV封裝SiC模塊采用了一系列先進(jìn)的封裝技術(shù)和工藝，具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，旨在提升其性能、環(huán)境友好性和壽命：
①環(huán)境友好性：采用了壓注封裝工藝，使其具備出色的環(huán)境抵抗能力。這種封裝可以有效地抵御諸如空氣濕度等惡劣環(huán)境因素對(duì)模塊的影響，提高了模塊的耐久性和可靠性。這對(duì)于電動(dòng)汽車等需要在各種氣象條件下工作的應(yīng)用非常重要。
② 提升功率循環(huán)壽命：為了提高模塊的功率循環(huán)壽命，采取了多項(xiàng)措施。去除了絕緣襯底和底板之間的焊接層，減少了熱壓下的熱應(yīng)力，有助于延長(zhǎng)模塊的壽命。采用芯片銀燒結(jié)和銅線綁定等先進(jìn)工藝，提高了模塊內(nèi)部連接的可靠性和導(dǎo)熱性，從而進(jìn)一步提高了模塊的壽命。
③提升散熱效率：為了有效散熱，模塊采用了無底板直接水冷方案。這種設(shè)計(jì)可以將熱量迅速傳導(dǎo)到散熱器，并通過水冷卻的方式將熱量散發(fā)，確保模塊在適宜的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。同時(shí)，采用先進(jìn)的陶瓷材料降低芯片至散熱器的熱阻，進(jìn)一步提高了散熱效率。
出色的水冷方案
賽晶的HEEV封裝SiC模塊水冷方案具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，旨在解決傳統(tǒng)水冷散熱器在多模塊配置中散熱效率和模塊溫度均衡方面存在的技術(shù)問題：
①模塊并聯(lián)式水冷散熱器：采用模塊并聯(lián)式水冷散熱器，可以將多個(gè)HEEV模塊有效地連接到同一個(gè)散熱系統(tǒng)中。這種設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)整體的散熱效率，確保每個(gè)模塊都能獲得足夠的散熱，避免了模塊溫度不均衡的問題。
②大湍流方案：采用大湍流方案，可以在冷卻液中產(chǎn)生更大的湍流效應(yīng)，從而提高了散熱效率。這意味著更多的冷卻液會(huì)流經(jīng)模塊，有效地冷卻模塊的熱量，降低了模塊溫度。
③降低模塊熱耦合：通過改進(jìn)水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，賽晶成功地降低了模塊之間的熱耦合效應(yīng)。這意味著一個(gè)模塊的高溫不會(huì)對(duì)相鄰模塊產(chǎn)生負(fù)面影響，確保每個(gè)模塊都能夠獨(dú)立、有效地散熱。
4專利技術(shù)支持：賽晶申請(qǐng)了相關(guān)專利，為該水冷方案提供了法律保護(hù)，使其成為一項(xiàng)獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新。
針對(duì)兩種散熱方案，賽晶進(jìn)行了CFD仿真，并對(duì)比了兩種散熱方式的差異，可以看出在同樣流量下，并聯(lián)水冷方案相比串聯(lián)水冷方案熱阻更低，水壓更均勻，這為提升模塊功率密度和可靠性提供了有力保障。
逆變器性能
基于采用HEEV封裝方案的電驅(qū)逆變器輸出功率在最大輸出功率可達(dá)250kW，輸出電流與開關(guān)頻率關(guān)系曲線如圖9所示。
電力電子領(lǐng)域的革命性創(chuàng)新
電動(dòng)汽車市場(chǎng)正迎來飛速發(fā)展，賽晶也正積極參與并塑造這一充滿活力的領(lǐng)域。賽晶專注于高端功率半導(dǎo)體產(chǎn)品的研發(fā)和制造，其中包括IGBT、FRD以及碳化硅等芯片和模塊。賽晶的研發(fā)中心位于瑞士，技術(shù)團(tuán)隊(duì)由來自歐洲和國(guó)內(nèi)頂尖的IGBT設(shè)計(jì)和制造專家組成，擁有幾十年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和卓越的業(yè)績(jī)，是功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一。
賽晶的最新創(chuàng)新產(chǎn)品，HEEV封裝SiC模塊，旨在滿足電動(dòng)汽車市場(chǎng)的高功率、輕量化和高可靠性需求，同時(shí)考慮了高性能馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用需求。這一模塊的研發(fā)背后是賽晶不斷追求卓越的工程和科技實(shí)力的體現(xiàn)，為電動(dòng)汽車和電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了關(guān)鍵支持。
賽晶在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位和技術(shù)實(shí)力，將繼續(xù)推動(dòng)電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，并為可持續(xù)能源和電動(dòng)交通的未來做出貢獻(xiàn)。