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【汽车与环境】中车电动首席专家伍理勋:第三代功率半导体器件与SiC控制器技术及其挑战

盖世直播 2019-09-22 13:04:29
核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛嘉宾演讲实录!

9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的“2019第(七)届汽车与环境创新论坛”隆重举办,此次论坛以“一个主论坛+四个平行论坛”的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为中车时代电动汽车股份有限公司中车电动首席专家,伍理勋在现场的精彩演讲实录:

中车,汽车零部件,半导体器件,Sic控制器

中车时代电动汽车股份有限公司中车电动首席专家伍理勋

伍理勋:各位专家、同仁大家下午好,我就针对第三代功率带半导体碳化硅电机控制器技术方面给大家讲一下。

目前为止,世界上大部分的汽车的电驱动系统是电机、电控、减速器分离的,减速器分离的,现在功率半导体以电机为基础的,预计2025年电机系统成本有明显的降低,功率密度也会提升很多。

国内目前大部分的企业目前使用的功率模块是标准模块做开发,特斯拉为代表的功率器件做集成开发,有几个考虑,第一不受功率器件的约束,特斯拉可以用不同厂家的功率器件做开发,可以做到功率等级、电压参数的调节和控制。双面水冷是很好的散热方式,可以进一步提升功率密度。日本这种技术相对比较早。目前以特斯拉为代表,碳化硅的器件开始应用,特斯拉model3据说有应用。

世界上最大碳化硅厂家是英飞凌,碳化硅是重要的发展方向。为什么使用碳化硅?因为发展遇到瓶颈,右边图可以看出来,如果再提升功率等级,碳基的本到体有瓶颈,硅基的半导体是发展方向。碳化硅的功率速度比碳基高。耐高温,现在碳化硅150为起点,这种特征决定了它更加适合需求,可以通过高度集成之后可以有效降低控制器的体积提升功率密度,效率从测试情况来看,碳化硅在最高的效率点有1-2个点的提升,节点效果更明显,目前统计的数据8-9个点左右。

蔡博士也讲了,无论乘用车还是商用车,除了动力系统外,很多产品都会用到功率半导体,碳化硅的使用还是比较广泛的。

有一家厂家对使用碳化硅未来成本优势做了分析,有数据可以看一下,碳化硅目前来看比较贵,但是通过它本身的优点带来一些优势的增加,对电池减少、空间节省、散热降低,总体从车角度看是节省成本的,尤其是续时里程越长的时候效果会更加明显。

行业预测到2020年,大概明年开始,新的碳化硅器件的使用会大幅度增加。2025年碳化硅规模大概30亿左右,是功率半导体十分之一的市场,2025年汽车的碳化硅使用超过碳化硅的一半左右。

碳化硅国内国际上半导体厂家对这个产业都做了详细的布局,我们可以看到DENSO为首的厂家,都做了规模化的布局,同时做了长远的布局,除了外延没有做其他都做了。

目前为止,国内外在碳化硅的基础上还有一些差异,我们大概到零几年到美国去,很多美国高校开始进行碳化硅应用研究了,中国还是起步较晚,目前国内大部分的厂家,碳化硅的水平可能还处于第一代或者是第二代水平,国外已经到第三代水平,差异比较大。

包括晶圆,国外的晶圆已经到6英寸,Cree8英寸,中国大概才4英寸。基本上同样面积的情况下,我们数据可以明显看得出来,我们跟国外还有比较大的差距。Rohm到95,Cree到149。国内外厂家做了很多相应的产品,国外有英飞凌、Cree,中国有中车。

碳化硅开发出很多控制器,中国看得到的,蔡博士和电控所都做了相应的产品。这个东西这么好,为什么中国还没有全面推广,这肯定还有很多问题,针对现在碳化硅的一些问题简单说一说我们的看法和意见。从芯片、模块集成应用来谈一谈这个问题,碳化硅芯片的同流能力有难度,也就是刚才讲芯片单位面积的电流跟国外有很大差距的原因,其中有难度。受结构、材料的约束。

同时,外延材料,除了能力提升以外,可靠性提升也有比较大的难度,现在合格率还是比较低的。主要是外延材料的结构缺陷,栅极漏电比较大,也容易失效。另外受高温退化的影响,栅极阈值偏移。

通过沟道自对准、背面减薄,栅极的阈值主要通过栅氧功率做得低一些,模块应用方面也遇到一些不大一样的问题,主要是碳化硅芯片的杨氏模量是Si芯片的3倍,同时碳化硅芯片面积是Si的大概一半,所以进合线和焊料层疲劳应力比较大,沿用传统的碳化硅寿命三分之一左右。

碳化硅器件的参数分散性比较大,通过模块当中电场、温度场、机械应用最优的方案进行工作。在平面截面方面我们通过焊接工艺,进行了材料选择和优化,让系数基本上一致,碳化硅基本一致。我们采用工艺设计目的就是提升可靠性。

另外我们平面设计做了很多优化设计方案,尤其是通过布局,通过磁场的相互比较使宽母排结构,提升芯片的应用能力。另外一个方面问题就是系统设计和应用过程中也遇到这个问题,碳化硅的开关速度飞机快,由于留观流程形成一个波形,在驱动上面做很多优化设计的需求。同时,因为阈值偏低,上下管的设计驱动保护当中也要做很多优化设计的工作。

另外IGBD温度做高了,配套的器件也需要做相应的改进,改进两方面,一个是耐热特性,目前是115度,另外是电压做得很小。另外一个方面,因为碳化硅的开关速度快,对电磁电容的影响也比较突出,对外的干扰进一步加大。受电压的影响。

为了解决这个问题,我们进行精确仿真,对输入输出的参数进行优化,另外在轴承端做一些工艺,可以有效减少腐蚀。碳化硅技术的问题,供应链也有很多障碍,供应链里面6英寸合格率比较低,8英寸基本上国内还没有,化学品光刻胶靠进口,化学药液和国外有差距,工艺气体主要靠进口。

也简单汇报一下中车在这方面做了哪些工作,大家对中国中车的印象是做高铁的,中国中车新能源领域也做了全面的布局,上中下游都有比较大的茶叶布局,现在产业布局已经过100亿,今天讲关键部件,核心器件这一块。

我们在碳化硅芯片、碳化硅模块及组建、碳化硅电机控制器、系统应用都做了布局。在碳化硅芯片和模块方面有国内第一比较大规模的生产新,完成相关工艺研究,有相关的设备,碳化硅的二极管等都推出相应的产品。目前推出了英飞凌的好多模块,这是设计的外形。我们也做了双面的碳化硅模块,右边是外观。

同时,我们开发了相应的驱动系统,驱动系统因为碳化硅跟硅基有不同的地方,我们和很多大学合作,检测出了很多问题。我们这个产品目前功率大概会到135KW,我们也在开展基于碳化硅的研制,预计明年6月份问世。

展望:

第一进一步提升碳化硅芯片技术,我们跟国外有比较大的差异。

第二提升碳化硅模块定制化的专业制造水平,汽车厂家对模块定制要求还是比较高的。

第三方面要加快适应性和研究,毕竟我们只是个样机,装车测试时间比较短,要进一步提升验证的过程。

第四方面要优化系统设计,提高集成化水平。

第五方面我们要提升系统的智能化水平,我们要提升模块的健康诊断和大数据平台我们有这方面基础,在这方面进一步开展碳化硅可靠性研究。

总体来说我们碳化硅有的“三高”特点很适合新能源汽车需求。

碳化硅是未来汽车功能半导体的发展方向,还需要突破诸多技术难题。芯片、模块、系统集成方面性能还有较大的提升空间,能力的充分发挥需要提升关联器件或部件的配套。我们认为碳化硅的推广应用可能会快于预期。

敬请关注盖世汽车“2019(第七届)汽车与环境创新论坛”直播专题!

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