Yole Development 的市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告表明，自硅功率半導(dǎo)體器件誕生以來(lái)，應(yīng)用的需求一直推動(dòng)著結(jié)溫升高，目前已達(dá)到150℃。隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件(如SiC)出現(xiàn)以及日趨成熟和全面商業(yè)化普及，其獨(dú)特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結(jié)溫從目前的150℃邁向175℃，未來(lái)將進(jìn)軍200℃。借助于SiC的獨(dú)特高溫特性和低開(kāi)關(guān)損耗優(yōu)勢(shì)，這一結(jié)溫不斷提升的趨勢(shì)將大大改變電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)格局。這些典型的、面向未來(lái)的高溫、高功率密度應(yīng)用，包括深度整合的電動(dòng)汽車動(dòng)力總成、多電和全電飛機(jī)乃至電動(dòng)飛機(jī)、移動(dòng)儲(chǔ)能充電站和充電寶，以及各種液體冷卻受到嚴(yán)重限制的電力應(yīng)用。
圖1：功率器件的應(yīng)用結(jié)溫在不斷升高(來(lái)源于Yole Development 的市場(chǎng)研究報(bào)告)
電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成(電機(jī)、電控和變速箱)已走向三合一，但目前僅僅是在結(jié)構(gòu)上堆疊在一起，屬于弱整合。未來(lái)在結(jié)構(gòu)上，動(dòng)力總成的深度整合是必然路徑，因?yàn)?，這樣可能使體積減少約三分之一，重量減少約三分之一，內(nèi)耗減少約三分之一，并有可能使總成本壓縮2至4倍。然而，電控部分將與電機(jī)緊密結(jié)合，深度整合使功率密度大幅提高，高溫即是所面臨的不可回避的最大挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)飛機(jī)中控制尾舵、機(jī)翼、起落架等機(jī)械動(dòng)作都是靠經(jīng)典的液壓傳動(dòng)。液壓油作為液體，受環(huán)境影響很大并且維護(hù)成本很高，目前已趨向于部分或全部的電氣化，此即多電和全電飛機(jī)的概念。在飛機(jī)上采用電機(jī)替代液壓油路實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作，可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)，且方便冗余備份設(shè)計(jì)。然而，最大的困境是飛機(jī)上的電機(jī)和電控不允許配備水冷，且只能依靠強(qiáng)制風(fēng)冷及自然冷卻，因此，實(shí)現(xiàn)多電或全電飛機(jī)、乃至電動(dòng)飛機(jī)的電控設(shè)計(jì)，需要率先解決的重大技術(shù)難題即是高溫。
另外，在許多應(yīng)用場(chǎng)景中，半移動(dòng)式儲(chǔ)能充電站和全移動(dòng)式充電寶將有效地填補(bǔ)固定式充電的缺失，特別是隨著電動(dòng)車大規(guī)模普及，這一點(diǎn)將表現(xiàn)得更為明顯。然而，對(duì)于這類移動(dòng)充電應(yīng)用，水冷機(jī)構(gòu)將不僅帶來(lái)額外重量和體積負(fù)擔(dān)，更重要的是它會(huì)消耗自身攜帶的存儲(chǔ)電能，因此，電控采用自然冷卻將是佳徑，但必須妥善處理好電控系統(tǒng)熱管理的問(wèn)題。
除了上述三種典型的高溫應(yīng)用外，在許多特種工業(yè)應(yīng)用中，液體冷卻受到嚴(yán)重限制時(shí)，電控系統(tǒng)將面臨同樣的高溫挑戰(zhàn)。耐高溫的電控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以上高溫應(yīng)用的關(guān)鍵，其核心實(shí)現(xiàn)技術(shù)是SiC功率器件的高溫封裝技術(shù)和與之相匹配的高溫驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)。
SiC材料及其器件結(jié)構(gòu)有天生的耐高溫能力，在真空條件下甚至可耐達(dá)400至600℃的高溫。在實(shí)際應(yīng)用中，為防止接觸空氣而產(chǎn)生氧化，SiC器件必須有封裝，且若要耐高溫，必須采用耐高溫的封裝。結(jié)溫150℃是業(yè)界目前的最高標(biāo)準(zhǔn)，175℃結(jié)溫等級(jí)剛剛開(kāi)始展露，有準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化封裝可以采用，而200℃乃至更高溫的封裝對(duì)封裝材料和工藝要求十分嚴(yán)苛，而且必須根據(jù)裸片特征進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以保證導(dǎo)熱和散熱性能要求。
SiC功率器件和模塊的應(yīng)用離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)電路及其相應(yīng)的芯片。然而，大多數(shù)驅(qū)動(dòng)電路芯片都是普通的硅器件，均不能耐高溫，其若能在高溫如175℃下工作1000小時(shí)，已經(jīng)是鳳毛麟角了。另外，耐高溫只是問(wèn)題的一方面，更嚴(yán)重的是高溫時(shí)器件性能的一致性問(wèn)題。普通硅器件在70℃之上性能弱化得非常之快，因此在高溫下無(wú)法應(yīng)用。歷經(jīng)二十多年創(chuàng)新研發(fā)和應(yīng)用考驗(yàn)，Cissoid公司SOI特種硅器件已實(shí)現(xiàn)杰出的耐高溫能力，其在175℃時(shí)可連續(xù)工作15年之長(zhǎng)，且全溫度范圍內(nèi)性能有極佳的一致性，是支持SiC高溫應(yīng)用的支柱。
Cissoid 公司基于SOI的特種硅半導(dǎo)體技術(shù)，全面突破了硅半導(dǎo)體器件的溫度困境，明顯地規(guī)避了硅器件的溫度載流子效應(yīng)(本征載流子濃度隨溫度升高而升高)和結(jié)溫效應(yīng)(有效結(jié)勢(shì)壘隨溫度升高而縮減)的影響，不僅能耐高溫并長(zhǎng)期工作，而且可在全溫度范圍保持良好的性能一致性。因此，Cissoid 公司的高溫半導(dǎo)體器件長(zhǎng)期以來(lái)為航空航天和石油勘探領(lǐng)域所青睞，且已有近二十多年高溫應(yīng)用歷史和經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)，隨著第三代半導(dǎo)體SiC功率器件的普及，Cissoid 開(kāi)發(fā)了針對(duì)SiC MOSFET的耐高溫驅(qū)動(dòng)芯片和方案。這一獨(dú)特的耐高溫性能使其得以盡可能地靠近SiC功率模塊，以使驅(qū)動(dòng)回路的寄生電感達(dá)到最小，從而更有效地抑制振鈴并實(shí)現(xiàn)最佳的效率。
最近，針對(duì)電動(dòng)汽車和全電/多電飛機(jī)的功率電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，Cissoid還推出了三相全橋1200V SiC MOSFET智能功率模塊(IPM)體系，該體系是一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)系列。該體系利用了低開(kāi)關(guān)損耗技術(shù)，提供了一種已整合的解決方案，即IPM。IPM是由門極驅(qū)動(dòng)電路和三相碳化硅功率模塊組成，兩者的配合已經(jīng)過(guò)優(yōu)化和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了SiC器件優(yōu)勢(shì)的充分利用。目前出品的CXT-PLA3SA12450AA模塊的額定結(jié)溫高達(dá)175°C，門極驅(qū)動(dòng)電路可以在高達(dá)125°C的環(huán)境中運(yùn)行。另外，隨應(yīng)用條件和場(chǎng)景的需求，通過(guò)更換更高等級(jí)的被動(dòng)元器件和主要芯片及模塊的封裝可以進(jìn)一步提升運(yùn)行溫度等級(jí)。
圖2：CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC MOSFET智能功率模塊
自硅半導(dǎo)體器件誕生以來(lái)，高溫應(yīng)用一直是其應(yīng)用之命門。Cissoid創(chuàng)新的特種SOI硅芯片技術(shù)，率先在高溫半導(dǎo)體分立器件和小規(guī)模集成電路上實(shí)現(xiàn)了重大突破。隨著第三代半導(dǎo)體如SiC功率半導(dǎo)體器件的日趨成熟和普及，其固有的耐高溫性能與Cissoid高溫半導(dǎo)體器件形成了非常好的搭配，由此將大大改變電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的格局，為設(shè)計(jì)工程師提供了全新的拓展空間。
作者：羅寧勝 博士，Cissoid 中國(guó)總經(jīng)理
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