作者：吳慶國
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Ⅰ.碳化矽器件應用概述
1.1 碳化矽與功率模組的關係
碳化矽（SiC）俗稱金剛砂，為矽與碳相鍵結而成的陶瓷狀化合物，碳化矽在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。
自1893年起碳化矽粉末被大量用作磨料。將碳化矽粉末燒結可得到堅硬的陶瓷狀碳化矽顆粒，並可將之用於諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發光二極體、早期的無線電探測器之類的電子器件製造中也有使用。
如今碳化矽被廣泛用於製造高溫、高壓半導體，在電動汽車中主要以IGBT和MOSFET模組的形式存在於各種控制器當中。
以SiC為基礎晶元材料的電子器件，我們統稱“碳化矽器件” 。
▲碳化矽
▲IGBT晶圓
▲晶圓應用到電機控制器
1.2 IGBT功能介紹
IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor） 全稱“絕緣柵雙極型電晶體”，是一種大功率的電力電子器件，主要用於電機控制器逆變和其它逆變電路，將直流電壓逆變成頻率可調的交流電。
對於電動車而言，IGBT 直接控制驅動系統直、交流電的轉換，同時對交流電機進行變頻控制，IGBT的好壞直接決定了車輛的扭矩和最大輸出功率。
MOSFET與IGBT的功能類似，一般在較低功率及較高頻率應用（即功率＜1000W及開關頻率≥100kHz）中表現較好，IGBT則在較低頻及較高功率設計中表現卓越。
▲IGBT模組
▲碳化矽MOSFET
1.3 IGBT在電機控制器中的成本比重
透過對電機控制器成本結構的分析，可見目前IGBT模組佔據了電機控制器接近40%的成本，除去其是核心部件本身成本比較高的原因外，另外一個很重要的原因在於國內車用高功率半導體主要被外資廠商所佔據，如：英飛凌、三菱、仙童、東芝、富士、SEMIKRON、Hitachi 等。
國內只有比亞迪和中車時代在做IGBT的研發，2018年12月10日比亞迪釋出了優於當前市場主流產品的IGBT4。0版，令國人振奮不已。
▲電機控制器爆炸圖
▲電機控制器成本結構
1.4 電機控制器在整車中的成本比重
2018年1-11月，國內新能源汽車電機控制器累計裝機量超過了105。4萬套，比上年同期增長63。6%，爆發出強勁的市場潛力。
根據美國阿貢實驗室的評估報告，電動汽車電機控制器約佔整車生產成本的9%，是除卻動力電池外成本支出最高的電動系統零部件。
1.5 電機控制器技術發展目標
參考美國能源部發布的《電力電子發展路線圖》，到2025年新能源汽車電機控制器及功率模組需要達到如下指標：
IGBT功率模組佔控制器總成本要降到23%（現在是37%）；
單位功率密度增長到100kW/L，要比2020年技術目標13。4kW/L減少87%的體積；只有應用新材料才可能實現這個目標，看好SiC控制器前景。
控制器總成成本比2020年目標3。3$/kW下降18%，達到2。7$/kW。
1.6 功率半導體晶片材料效能對比上
SiC器件耐高溫（工作溫度和環境溫度）、抗輻射、具有較高的擊穿電壓和工作頻率，適於在惡劣條件下工作。特別是與傳統的矽器件相比，目前已實用的SiC器件可將功耗降低一半。
由此將減少裝置的發熱量，從而可大幅度降低電機控制器的體積和重量。在相同功率等級下，碳化矽功率模組的體積可縮小至矽基IGBT模組的2/3-1/3。
可將開關損失降低85%，可實現100kHz以上的高速開關，提高開關頻率將顯著的減小電感器、電容器等周邊部件的體積和成本。散熱處理也更加容易進行，可以實現電機控制器與電機的一體化。
1.7 功率半導體晶片材料效能對比下
SiC是電力電子的下一代半導體材料的主力軍！將開啟電力電子系統在效率、高溫、功率和高壓上的新時代。
從目前收集到的行業資訊看，只有應用SiC寬禁帶半導體材料，才可能達到電機控制器100kW/L的功率密度指標，為電動汽車行業的發展帶來革命性的品質提升。現今，SiC器件在主電機驅動上面臨的最大問題是成本太高，相當於Si基IGBT的5到10倍。今後幾年，Si基IGBT仍然將發揮主要作用。
1.8 碳化矽器件的市場環境
2018年1-11月，新能源汽車累計產銷分別完成105。4萬輛和103萬輛，比上年同期分別增長63。6%和68%。
得益於新能源汽車市場的快速增長，新能源IGBT需求呈現出爆發式增長，預計2025年車用IGBT需求量將佔總體需求量50%左右。
Ⅱ.車用碳化矽器件發展趨勢
2.1 碳化矽器件在電動汽車上的優勢
2.2 碳化矽器件對電機設計的意義
電機透過增加極對數能使其定子端部尺寸大大減小，增加極對數後需要功率模組的開關頻率增加，而傳統的矽基功率模組的開關頻率通常最大為10-12kHz，SiC 功率模組的開關頻率可以更高，而且開關損耗小，結溫高。
▲應用Si功率模組電的機尺寸
▲應用SiC功率模組的電機尺寸
2.3 碳化矽晶片需要匹配其它部件
2.4 碳化矽功率模組研發現狀
各大電子廠商均在發力車用碳化矽器件的研發，都推出了樣品模組可供研發驗證。但批次供貨的很少，原因一是產能受限導致的價格昂貴；二是產品缺乏足夠的試驗驗證，沒有完全定型；三是電力電子廠家安享既得利益，對新技術推動瞻前顧後，患得患失。
▲國內IGBT產業鏈相關企業
▲英飛凌SiC模組
2.5 比亞迪車用IGBT的崛起
在前不久的IGBT 4。0技術解析會上，比亞迪宣佈，已經成功研發了SiC MOSFET（汽車功率半導體包括基於矽或碳化矽等材料打造的IGBT或 MOSFET等），有望於2019年推出搭載SiC電控的電動車。
預計到2023年，比亞迪將在旗下的電動車中，實現SiC基車用功率半導體對矽基IGBT的全面替代，將整車效能在現有基礎上再提升10%。
比亞迪IGBT 4。0代電流覆蓋了從25到200A，標準型開關頻率是1K~16KHZ，快速型為16K~25KHZ，可應用於汽車牽引動力驅動、車用空調變頻與制熱、汽車轉向助力系統、工業感應加熱電器、電焊機、電機控制器等。
2.6 車用功率模組常規封裝規格
2.7 車用驅動模組冷卻技術發展歷程
2.8 IGBT模組雙面冷卻例項
2.9 碳化矽電機控制器研發進展
Ⅲ.發展碳化矽器件要攻克的關鍵技術
3.1 SiC封裝科研方向
3.2 高溫封裝技術
3.3 提高可靠性的封裝工藝改進目標
IGBT封裝工藝改進的目標主要集中在3大方面：
晶片之間的互聯技術：研究高可靠性的引線鍵合工藝或無繫結線工藝
晶片焊接技術：研究新型的焊料或固態焊接工藝，延長晶片焊層的疲勞壽命
DBC襯底及底板：研究更高可靠性的襯底焊接工藝及更高效的底板散熱技術
3.4 奈米銀焊膏燒結技術
3.5 平面型封裝要求
3.6 高效散熱技術介紹
3.7 大數量晶片模組佈局設計
Ⅳ.碳化矽電機控制器開發
4.1 碳化矽高密度電機控制器開發流程
4.2 碳化矽器件降低成本的技術路線
4.3 碳化矽電機控制器最佳化流程圖
4.4 碳化矽控制器其它拓撲介紹
4.5 推薦拓撲對應的PWM控制演算法
4.6 碳化矽高溫驅動開發方法
針對高溫門極驅動技術不成熟、開關速度降低、無電氣隔離和抗擾能力差等問題，最佳化驅動電路並協同晶片溫度監控與保護。
4.7 碳化矽器件系統溫度隔離設計
模組中整合溫度隔離區和驅動電路
4.8 碳化矽電機驅動可靠性預測模型
針對電動汽車的實際工作環境， 充分研究所經受的各種應力的嚴酷度，基於實際情況開展高溫、高溼、振動、溫變等複雜條件下SiC電機驅動的可靠性評估方法，並保證評測方式的實用性。
▲功率迴圈壽命預測模型
全文結束，下面是PPT版本：
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1、本文PPT。PDF
2、Power semiconductor solutions for automotive applications。PDF
3、FUJI Power semiconductors IGBT/SiC devices selection guide。PDF
4、STMicroelectronics-SiC-Module-Tesla-Model3-Inverter_flyer。PDF
5、Dsign_of_a_Novel_SiC_MOSFET_Structure_for_EV_Inverter_Efficiency_Improvement。PDF
6、Yole_Power_Electronics_for_EV_HEV_2016_Market_Innovations_and_Trends_Sample。PDF
7、Building a Basic Inverter。PDF
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