碳化硅功率模块及电控的设计、测试与系统评估

前言臻驱科技(上海)有限公司(以下简称“臻驱科技”)是一家以研发、生产和销售新能源车动力总成及其功率半导体模块为核心业务的高科技公司。2019年底,臻驱科技与日本罗姆半导体公司成立了联合实验室,并签订战略合作协议,合作内容包含了基于某些客户的需求,进行基于罗姆碳化硅芯片的功率半导体模块,及对应电机控制器的开发。本文即介绍臻驱对碳化硅功率模块的开发、测试及系统评估。

表1罗姆公司第四代SiC芯片性能概览

性能参数

单位

S4601(第四代)

S4103(第三代)

阻断电压VDSS

V

1200

1200

最大持续电流ID

A

136@175°C

95@175°C

导通电阻RDS,on

mOhm

13@25℃

22@25℃

Introduction

碳化硅功率半导体近年来在能源转换应用中正在成为一个热门的话题由于材料属性,使得它具有比硅基半导体器件更高的最大结温、更小的损耗,以及更小的材料热阻系数等。

因此,很多人宣称,当碳化硅功率器件应用于能源转换后,变频器系统将有更高的功率密度、更小的体积、更高的允许工作温度,以及更低的损耗,从而给应用系统带来更大优势。

臻驱科技计划将碳化硅芯片封装至功率模块,并应用于新能源车的电机驱动器中(以下简称“电控”),用于取代其现有的硅基IGBT功率模块(峰值功率约为150kW)。

进行开发之前,应用者需要进行评估,哪些碳化硅的特性能给主驱应用带来最大的价值。例如,对于此类DC-AC的拓扑结构,碳化硅技术的导入对于电控体积的减小并没有显著的作用,因为电控的体积主要取决于其各子部件的封装技术而功率模块只占其中很小的百分比;另一些人宣称可以利用碳化硅更高工作结温的优势,少安装芯片数量并使其工作在高温,从而降低成本。也许,此特性适用于如地下钻探等环境温度很高的应用,但对于新能源车而言,是否有必要将结温推高而牺牲效率(注碳化硅在高温下的损耗会显著增加),以及是否因为节省了芯片数量就能节省系统成本,是需要被质疑的。

在臻驱看来,碳化硅技术应用于主驱电控的主要系统优势,是在于效率的提升,以及峰值输出功率的增加。前者可以提升续航里程或减少电池安装数量,后者可以给整车带来更大的百公里加速度。臻驱第一款开发的是750V的碳化硅模块,针对A级及以上的乘用车型;第二款是1200V碳化硅模块,应用于800V系统的乘用车或商用车。在臻驱开发的碳化硅模块中,臻驱采用的是罗姆最新的第四代750V及1200V芯片,以1200V芯片为例,其综合性能较上一代产品有显著提升,见表1。

本文介绍了该项目的研发过程包含系统性能评估(top-downflow),用于选择芯片并联数量;碳化硅模块的本体设计,包括封装形式、电磁、热、结构、可制造性等;模块性能测试,对标某知名IGBT功率模块;根据模块的标定结果迭代系统性能评估,包括最大输出功率、高效区并辅以台架实测结果,并展开其对续航里程影响的分析。基于以上结果,本文最后将总结一下关于碳化硅模块应用于主驱设计的方法论。

碳化硅功率模块及电控的设计、测试与系统评估

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