功率半导体推动混合动力汽车和电动汽车发展

日期:2012-06-27

  
        作者:刘洪,PSDC主编

  在日前举行的2012英飞凌汽车电子六城巡回研讨会北京站,英飞凌汽车部电气传动系统产品营销主管Dusan Graovac博士接受了记者的采访,阐述了功率半导体的先进性、挑战和未来发展蓝图。

  IGBT就是明天的“喷油器”

  Dusan Graovac博士认为,半导体技术已成为电动汽车架构的主要推动者。汽车行业正在发生模式的转变:IGBT就是明天的“喷油器”。虽然今天的汽车内燃机仍在使用燃料喷射器,车辆性能的驱动器仍然是机械部件和子系统,半导体只是一种辅助;明天,电子逆变器中的IGBT将使车辆性能的驱动器变成半导体元件和子系统,而机械部件变成辅助。

  他表示,电动汽车架构正在驱动汽车功率半导体需求的增长。汽车与电动车/混合动力汽车的半导体BOM将达到今天总体汽车SC BOM的2倍,即使是在低端市场,预计这也将成为功率半导体很大的市场。

  挑战和机遇并存

  Dusan Graovac博士说,今天的经典电动汽车架构面临着许多挑战,必须走向改进的架构。挑战在于,由于几个独立的模块、高压布线和连接器成本决定了系统成本比较高;系统效率比较低,散热难度高,由于高功率损耗使逆变器尺寸比较大;低里程和电池寿命比较短;另外,电动汽车架构也要求严格的安全完整性。

  因此,创新的半导体是领先电动汽车解决方案的关键驱动力。例如,逆变器要求有最高功率密度、高电压和高电流、温度和冷却能力、恶劣环境下的寿命、重量和尺寸,IGBT、二极管(硅、碳化硅)、HybridPACK、栅极驱动器可以解决这些问题。又如,DC/DC(低压)要求高功率密度、隔离、高开关频率(大于100kHz),MOSFET、CoolMOS、栅极驱动器、EasyPACK都可以使用。充电器要求高效AC/DC转换、处理高电流(快速充电)、高开关频率(大于100kHz)、安全和通信,而MOSFET、CoolMOS、栅极驱动器、EasyPACK就派上了用场。电池管理要求需要延长电池寿命、电池状态监测和控制智能算法,MOSFET和电池管理IC可以胜任。

  新技术帮忙

  Dusan Graovac博士认为,IGBT硅技术和制造技术可以优化功率密度,是典型逆变器应用中高电流的首选器件;沟槽+场终止晶格设计可降低开关损耗和实现高鲁棒性;晶圆厚度是减少功率损耗(超薄晶圆)的关键参数,晶圆尺寸从6英寸增加到12英寸,每片晶圆器件产出将增加400%,晶圆厚度将下降到40μm更有助于实现高性能的器件。

  除了介绍高功率半导体解决方案的发展趋势和应用,以及功率半导体的主要特点,他还介绍了实现逆变器高效率未来最好的器件碳化硅(SIC)JFET。碳化硅是高性能功率半导体器件的理想材料。SiC器件的效率非常高、速度快、高温能力和可靠性,有助于功率器件大幅扩展电压范围(300至2500V)。

  不过,碳化硅产品的实现是一个挑战(衬底尺寸、晶体缺陷、晶体管特性),目前工业应用中已在使用碳化硅,碳化硅刚刚在进入汽车领域。需要解决的问题是:增加晶圆尺寸,第一步是2011年4英寸到6英寸碳化硅,2011年年底推出碳化硅二极管,2015年年底推出碳化硅JFET。

  此外,为了实现更高集成度的功率半导体解决方案,电机集成功率电子技术、采用XT技术的汽车电源模块,这些先进技术都可以实现更高的导热能力。

  Dusan Graovac博士最后强调,汽车认证产品与工业产品有不同的质量要求、加工、测试要求,必须满足高功率半导体的汽车质量和可靠性。英飞凌汽车有一个卓越计划,覆盖了xEV,目标是可持续改善质量,实现零缺陷理念,减少客户退货数量和质量问题,增加顾客满意度,最终推进混合动力汽车和电动汽车的发展。

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