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車企視角:碳化硅電驅應用,整車廠欲主導產品定義?

從產業發展角度來看,新能源汽車已經進入了全面市場化拓展期,整個市場對于功率器件尤其是碳化硅(SiC)功率芯片的需求極為迫切。為此,各國政府、機構相繼出臺了各項政策措施,引導和推動SiC功率芯片產業的良性發展。另一方面,英飛凌等國際頭部企業也紛紛擴大產線,不斷增加擴能。

盡管如此,從短期看,SiC功率芯片缺芯問題依然嚴峻,同時國內電驅用SiC功率模塊主要采用國際芯片品牌,未來3年這類芯片缺芯壓力非常巨大;而國產SiC功率芯片目前主要是以車規級電源類應用為主,因此在電驅領域的規?;瘧眉毙杓涌?。

日前,中國一汽研發總院功率電子開發部部長趙永強談了他對下一代車用碳化硅技術的看法。他認為,碳化硅正在成為電驅系統提升比功率效率以及降低電驅系統重量的核心器件,國產碳化硅功率芯片要想真正實現國際領先,需要全產業鏈共同合作,在迭代試錯中謀求發展。

電驅系統碳化硅首當其沖

從功率器件產品技術路線來看,隨著用戶對更長續航里程、更短充電時間以及更低里程成本的需求,功率系統正在向高集成、高效率、高可靠、耐高溫等方面發展,從而驅動了功率器件在芯片設計、晶圓制備以及模塊封裝方面的持續變革,因此,大尺寸晶圓制備技術、高密度功率芯片技術,以及功率模塊封裝技術已成為當前的研究重點。

相比硅基半導體,碳化硅基半導體具有更小的尺寸、更低的損耗、更高的開關頻率、更高的耐溫能力。這些優勢使其成為電驅系統提升比功率最高效率以及降低電驅系統重量的核心器件,也為解決電動汽車高效節能、高功率密度、快充應用及舒適靜音提供了良好的路徑。

目前,國外眾多車企包括BBA(奔馳、寶馬、奧迪)等通過應用碳化硅技術在充電時間及續航里程方面取得了較好的成果;國內的比亞迪、吉利、蔚小李等企業也通過應用碳化硅技術取得了良好的效果。

傳統開發模式正被顛覆

當前,采用碳化硅技術的電驅系統的峰值功率已逐步逼近300千瓦,最高轉速已超過2萬轉,重量逐步控制在90公斤以內。在趙永強看來,在SiC開發過程中整車廠與半導體企業的關聯性越發緊密,雙方長期維持的“間接接觸、訂單拉動、串行開發”的開發模式已不適應現在新能源汽車的開發需求。

具體表現在,半導體企業開發的標準半導體產品要么無法滿足新能源整車廠首發首創的技術需求,要么定制品無法趕上新能源汽車24個月,甚至更短的開發周期。因此,整車廠日漸主導產品需求定義,構建功率器件的設計和仿真能力,并以數字化手段準確傳遞自己的設計需求,與半導體企業聯合開發工藝,解決規?;a與應用的問題,這已成為行業的首選開發模式。


還有少數半導體企業的目標是實現從芯片設計、工藝研發、模塊開發、模塊生產、系統開發的全鏈路掌控,以達到規?;统杀镜膽媚繕?,趙永強認為,總體來講這種模式的成功比較難。

為什么先進電驅系統需要碳化硅?

實際上,從整車應用來看,先進電驅需求是一種牽引,需要開發低雜感、低熱阻、高集成、高可靠的功率模塊,包括低損耗、高載流、高可靠、高智能的功率芯片。趙永強表示,先進電驅系統對碳化硅技術的需求包括以下五個方面。

首先是圍繞高集成、高密度、低損耗、高耐溫設計原則的高功率密度功率模塊設計,依托數字化、虛擬設計環境,在多芯片并聯均流技術(采用非線性優化控制均流方法)、基于銅平面互連的功率模塊設計(寄生參數小、通流能力強、額外導熱路徑、設計自由度高),以及高可靠性設計(焊點優化設計、抗溫度沖擊設計、燒結納米銀設計)等方面有所突破。

在功率器件仿真方面,利用低載荷互連、高可靠連接技術,有效完成功率器件的結構和工藝設計,在此基礎上,通過搭建電熱力磁耦合的虛擬仿真平臺,追求最佳性能實現方案,從而有效驅動功率模塊的結構和工藝開發。

二是高功率密度逆變器設計,包括模塊化逆變器設計,通過400V和800V逆變器平臺化和功率器件定制化,實現逆變器體積功率密度的有效提升。電容小型化設計可以有效縮系統尺寸,提升散熱能力,解決碳化硅技術應用帶來的電壓尖峰問題,改善大載流情況下整個系統的散熱能力。

三是通過控制板與驅動板的一體化設計減少排線連接,在提升系統可靠性的同時,通過集成對流傳感器、高壓備份電源來提升整個系統的集成度。具體包括:用NVH全域深度變頻優化效率;結合可靠性與效率要求設定并優化死區時間,減少諧波帶來的系統效率降低問題;優化開關速率,實現逆變器全功率段最優系統效率。

四是采用高速高頻化設計,包括基于碳化硅的高速電機本體結構設計;采用高可靠的高頻開關和高效率的高頻驅動設計技術;同時通過搭建正向EMC仿真體系,利用結構、電路、EMI濾波等多種手段提高系統的EMC性能。

五是高可靠性設計,針對高電壓尖峰所帶來的高壓電應力疲勞損傷,以及多相間界面兼容可靠性等問題,采用電機絕緣設計以及高速、高壓、高頻軸承等技術。


下一代車用碳化硅技術思考

調研發現,目前30千瓦以下的功率模塊封裝主要使用碳化硅器件,180千瓦以下主要采用標準框架式灌封封裝技術,而180千瓦以上逐漸開始采用塑封工藝技術。


在趙永強看來,在功率模塊封裝結構方面,圍繞低雜感、低熱阻的設計需求,封裝的形式正在從框架式到塑封半橋,再到分體式塑封全橋,進而到一體化塑封全橋方向發展。

冷卻形式在從間接冷卻到直接冷卻方向發展,目前行業內單面水冷和雙面水冷呈現技術路線并行,但是由于單面水冷沒有表現出更好的產品性能,對電驅系統的設計也有明顯的影響,因此,雙面直冷封裝目前是整個行業的主流趨勢。

從功率電子器件連接來看,最早是采用螺栓方式,后來是激光焊接,再到超聲焊接發展,而鍵合形式也從最原始的鋁線鍵合發展到銅線鍵合,以及最后的柔性無線鍵合方式。

從模塊封裝工藝看,圍繞高強度、高可靠、強散熱需求,密封工藝也從最早的硅凝膠灌封形式到環氧樹脂灌封,再到環氧樹脂塑封,芯片貼裝工藝也從早期的焊接式到現在的銀燒結工藝。同時,襯板材料正在從最早的氧化鋁DCB發展到現在的氮化硅AMB襯板。

再來看功率芯片的發展,碳化硅芯片結構呈現了平面柵與結構柵結構并行的趨勢,憑借其工藝簡單、良率較高,平面柵型結構目前是行業尤其是國內工藝的首選。在芯片可靠性方面,行業圍繞高均勻外延制備技術、高可靠柵氧制備技術也進行了集中攻關,產品的性能和可靠性不斷提升。


趙永強強調,如何圍繞整車廠的需求,將整車廠需要的功能、性能和可靠性需求轉化為芯片的靜態特性優化、動態特性優化、終端優化以及集成優化,已成為當前制約碳化硅半導體技術應用的關鍵。

此外,針對碳化硅功率模塊的測試技術,圍繞電驅系統應用及失效模式分析需求,行業需要以AQG324標準為基礎,開發針對碳化硅的新的測試方法、新的測試設備和相應測試技術,以推動碳化硅功率模塊的有效認證和驗證,真正實現“功能定義半導體”。

整車、零部件、原材料全產業鏈合作

趙永強總結道,首先,碳化硅技術是新能源汽車電驅的主要驅動力,當前電驅領域仍是硅基半導體和碳化硅基半導體并行,隨著碳化硅技術的不斷成熟,成本不斷降低,在高端純電動汽車中碳化硅基半導體有望逐步取代硅基半導體。

第二,碳化硅仍處于汽車應用的起步階段,當前芯片技術、模塊技術、工藝材料、相應的制備、芯片老化技術仍然有很大提升空間。

第三,半導體開發需要與整車需求深度結合,由整車廠主導產品定義,以數字化手段傳遞整車廠的設計需求,充分發揮各自優勢,與半導體企業聯合開發工藝,解決規?;a問題,從而實現首發首創的半導體產品和規?;瘧?。

第四,碳化硅半導體的成本和良率仍然是制約大規模應用的關鍵。因此,不斷提升碳化硅功率器件生產制造的良品率,滿足車規級量產質量要求尤為關鍵。

第五,車輛應用碳化硅屬于系統工程,國產碳化硅功率芯片要想真正實現國際領先,需要整車、零部件、原材料生產企業全產業鏈共同合作,在迭代試錯中不斷發展,從而有效支撐我國新能源汽車領先國際。



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