汽车电动化趋势正稳定成长，因此插电式油电混合车和全电动车(xEV)需要高效率的功率半导体。
相较于传统硅(Si)芯片，碳化硅(SiC)的优点不仅能应用在工业，亦能应用于汽车产业中。 随着SiC效率与功率密度的增加，汽车能更高度的自动驾驶化(电池体积更小)、系统的大小与重量减少、充电速度加快，最终能让更多客户接受电动交通。 由于技术进步，SiC半导体在xEV子系统的渗透率将在未来十年内提高。
目前功率模块与独立组件一般采用硅基二极管、MOSFET与IGBT。
相较之下，xEV传动系统中的SiC电路能让芯片有相同的额定功率，但尺寸更小。 此外，SiC技术能减少热损耗，这意味着与过去的系统相比，应用此技术的组件会更有效率，且更为轻巧。 在应用上，因SiC的优点而受益的组件有主变频器、内部充电器电子组件、升压器或DC-DC转换器(图1)。
图1 SiC芯片特别适用于要求严格的xEV子系统，如主变频器、内部充电电子组件，以及DC-DC转换器。
克服可靠性/成本挑战 SiC准备应用至车辆中
过去二十多年来，SiC半导体组件已应用于各种用途中，但若要应用在汽车电子上，仍有一些障碍须要克服。 为了能够有效地将这项新技术也应用在车辆上，必须满足以下两个主要层面：高可靠性及成本效益。
多年以来在采用SiC MOSFET切换的情况下，无法开发出可靠的闸极成为了主要障碍。 近期在设计(例如沟槽概念)与制程上的突破，已让装置符合汽车制造商所要求的可靠性等级。
此外，SiC基本材料的生产(晶圆)更加复杂，导致晶圆尺寸变小(图2)、每晶圆瑕疵数增加及成本提高。 虽然生成的硅晶体纯度高，但SiC晶圆的瑕疵密度已成一大挑战。 但近年来有了重大进展，瑕疵密度已大幅降低，最终可达成更大的芯片面积，因而减少整合到功率封装中的难度。
图2 硅与SiC晶圆尺寸比较
在过去，大多数的SiC供货商为规模小、专精于半导体的制造商，但产量相对较少，且对汽车产业的经验不足。 因此，规模经济有限。 但是现在这种情况已经发生根本性的变化。 高质量的6吋SiC晶圆大幅改善生产力。 汽车市场对于SiC需求的成长潜力，已经成为半导体大厂投入此市场的极具吸引力的原因，目前的市场报告更肯定了这项趋势。
SiC MOSFET有效减少变频器三分之二热损耗
与传统的硅基高电压IGBT或MOSFET(>600V)相比，SiC装置有数项优点。 例如，与IGBT相比，SiC MOSFET显示无轨迹效应，几乎无正复原，亦无逆复原。 这造成不受温度影响的切换损耗也远低于硅(图3a)。
SiC萧特基二极管在这方面也引起注意。 高切换速度或极低的逆复原电荷(Qrr)减少了切换损耗，并且有效地精简最终产品，SiC萧特基二极管适用于内部充电器系统中的功率因子校正(PFC)电路。
除了展现低切换损耗外，SiC MOSFET在传导损耗上也有数项优点。 事实上，与IGBT的类二极管特性相比，它们表现出类电阻的输出特性。 这种无临界值导通特性让部分负载范围中的传导损耗更少(图3b)。
图3 与传统硅IGBT相比，新款的CoolSiC Trench MOSFET提供无临界值导通特性(右侧图b)，并显著降低切换损耗(左侧图a)。
SiC MOSFET的基本优点使其非常适合在内部充电器或DC-DC转换器中运作，这些充电器或转换器由于更高的切换频率，可使用更小的被动组件。
这些优点也使其适用于变频器应用，因为变频器切换频率一般低于20kHz。 在此效率基本上由部分负载的运作所决定。 SiC MOSFET可减少变频器的平均热损耗达三分之二。
提升封装技术达高功率密度
为了充分利用SiC芯片的效能，功率模块需要相应优化的封装技术。 功率密度愈高，则不仅须要改善封装材料，还须要考虑到芯片愈小将导致热阻愈高，因而使热机械压力更高。
此外，为能够完全利用SiC MOSFET的快速切换功能，也需要寄生电感低的封装。 这便需要新颖的功率模块封装概念。 现代化的封装概念及双侧散热可用于优化装置的热阻，例如英飞凌的功率模块HybridPACK DSC(双侧散热)。 此模块具备有效的双侧散热，因此可大幅减少系统层级的热阻Rth(图4)，如此一来便可设计出极高功率密度的变频器。
图4 采用双面冷却的创新封装概念(指HybridPACK DSC)，实现高效率且精巧的功率模块。
SiC MOSFET能够实现非常精巧且高效率的变频器，在相近条件下，与IGBT型变频器相比，SiC MOSFET能大幅缩小芯片面积；由于芯片损耗减少，不同驾驶场景的效率提高了3%以上，尤其是在有大量加速阶段的城市交通中。
缩小芯片面积 SiC MOSFET降低成本
当考虑到变频器效率时，应该注意两个方向的能量流，分别为产生扭力时从电池到方向盘，以及能源复原(回收)期间从方向盘回到电池。
因此，变频器的效率对电池型全电动车至为重要，因为它直接影响到可达范围或确保某个范围时所需的电池尺寸。 由于电池是关键的成本因素，因此电池芯若能减少5%到10%，可使电池输出功率超过40kWh的系统成本大幅降低。
硅不像SiC能够有效地支持高崩溃场强度。 标准1200V IGBT的损耗远远大于600V级别的损耗，而1200V SiC MOSFET能够在850V范围内更高的电池电压下高效率地运作。
这使得SiC特别适用于亦允许快速充电应用的架构中。 透过目前正在开发的充电站基础设施，80kWh的电池在短短15分钟内就能充电至80%，这表示推动电动车的最大障碍之一将会消除。
SiC发展日渐普及
虽然SiC材料比硅贵，却能显著地增加功率密度。 在指定的功率需求下，半导体内容可减少到系数5。 像是英飞凌一开始就以150mm(6吋)晶圆制造其沟槽型SiC MOSFET。 考虑到系统层级的优点，例如更精巧的设计、更少的冷却作业、更轻的系统、更高的效率，SiC在其首次应用中已经具有竞争力。
越来越多的系统制造商(第1层)和汽车制造商(OEM)依赖SiC进行未来的开发。 因此，英飞凌也计划透过其1200V CoolSiC MOSFET，达到新的效率与效能水平；像是针对功率模块HybridPACK Drive CoolSiC(图5) 进行的研究证明了精巧的变频器在850V时提供超过200kW功率的可行性。
图5 HybridPACK Drive CoolSiC功率模块原型
(本文作者为英飞凌电动传动部门首席工程师)
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