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800V高压平台是大势所趋，但高压会带来器件损耗增加，在这方面碳化硅是一个好的解决方案，碳化硅现在的需求很多，但是良率、生产效率还是没有取得比较大的突破，供应的焦虑仍然是大家关注的。 目前乘用车的IGBT一般是用在辅驱，主驱仍然是碳化硅的方式，在800V平台的IGBT硅基产品是作为碳化硅的重要补充。中车从2008年基于第三代高压平面栅技术开始，开发了45678代IGBT芯片技术，推动了整个技术的正向开发。面对高压电驱应用场景，中车也开发出了相应的IGBT的产品。 株洲中车时代半导体有限公司汽车产品线总监宋自珍表示，未来IGBT的发展趋势是深度精细化和更高工作结温。 以下是演讲实录。
宋自珍：非常感谢NE时代第三届对我们的邀请，今天我分享的主题是“800V高压系统中的IGBT开发与应用”。800V从去年开始大家普遍被接受也是一个大的趋势，在800V这个系统里面大家普遍地认为碳化硅应该是很好的解决方案，硅有什么机会或者为解决方案推动一些工作，也跟大家探讨一下。 在乘用车高压化的趋势下，现在一些商用车更在往1000V平台转，后面会不会有更高的电压系统支撑整个车往更大功率、更高电压的方向走，还是需要整车来定义的。对于高压化的平台过程，大家知道高压化过程当中可能车、控制器都往更高压、更大功率、更高效率的方向发展，才会伴随着我们通过碳化硅、硅来保证我们功率半导体和整个系统应用的安全。 800V这个平台里带来的好处大家都知道，包括快充，现在里程焦虑带来的电池补电的过程，快充是一个很好的方式。快充需要更高电压去补电，这是一方面。另外大家关注的车辆的效率，如果高压带过来的是损耗的增加，损耗增加就会使得效率达不到我们所需要的目标。 在800V这块，碳化硅是一个好的解决方案，碳化硅现在的需求很多，但是良率、生产效率还是没有取得比较大的突破，供应的焦虑仍然是大家关注的。第二，关于硅基的解决方案，硅基1200V产品这块商用车是一直在使用的，但是商用车的电压也是从500到现在800多伏的过程，乘用车高压平台目前IGBT一般是用在辅驱，主驱仍然是碳化硅的方式。 如果碳化硅的需求和供应是匹配的，那大家肯定会选择碳化硅，但是当前状态下出现了供应的紧张，所以我们也在看800V平台的IGBT硅基产品作为碳化硅重要的补充。 前段时间特斯拉也宣布减少75%的用量，但是这75%碳化硅用量到底是系统本身减少用量还是用其他的方式替代，大家都在猜测。 不管哪一种方式，用硅也好，用碳化硅也好，大家都要一起来提供国内目前的SiC应用场景和器件的供应。
中车从2008年基于第三代高压平面栅技术开始，开发了45678代IGBT芯片技术，推动了整个技术的正向开发。目前第四代的最主要还是在牵引级的轨道交通、电网级的产品里面。沟槽开始用在第五代，第六代是中车推出的精细沟槽，第七代是做到电密度到315A/cm2的。 整个面向车用的不同功率段、封装形式，我们也会从模块方案想，不同的功率段，S0、S2、S3+系列的产品，包括L系列产品的图谱，更加丰富。像1200V硅基产品我们也开发出了，包括S3+系列产品，目前量产的是600A，后面也会基于更大功率的开发出720A的产品。 我们做这个事主要还是基于工艺平台的考量，中车目前这一代的车规级的IGBT专业线为我们整个技术平台开发提供了很好的支撑，包括超薄片，如果把它做到750V器件可以做到70微米左右，我们现在的平台可以支撑50微米的超薄片技术，包括接触尺寸可以做到200纳米，我们现在基于.13平台工艺可以达到，还有金属膜技术，芯片表面镀层，让功率循环的能力做很好地提升。比如现在普通的820模块可以做到10万次以上的PC能力。 面对不同的应用场景，高压这块中车也开发出了相应的IGBT的产品，最早的是商用车，包括600、900甚至1000A的产品，我们最早开发了面向商用车的S3+产品，一个替三个半桥，量产在2021年就已经实现了。 当然把这个产品从商用车转移到乘用车，包括一些可靠性技术和应用技术的加持，我们现在在乘用车辅驱上也已经量产了。面向乘用车的主驱，输出电流更高一些，比如要到400安培以上，还有一些面向更高的电压，如果800V平台满充，可能800V以上，有些甚至到了900V的需求。我们是否可以做一些定制化的，把1200V器件的电压再往上提升。我们开发出1300V的STMOS器件，另外看有没有混碳的方式，比如用碳化硅的SBD做反并联，降低反向恢复及开通的损耗。900A、1000A的产品目前我们已经可以量产了，原先是600A的产品用得多，600A的产品目前的沟槽，芯片面积相当大，不划算，成本比较高，售价又卖不起来。只能通过技术的不断加持，包括900A和1000A的产品，用中车第7代精细沟槽的芯片，满足更高工作结温，采用铜线互联，满足更大的电流输出的需求。运用原先的双450A并联的场景。 面向于S3+封装，中车最早开发的基于第六代的RTMOS芯片，也是我们目前S3+系列用的最多的芯片技术，便于控制器内安装，我们采用了包括氮化硅的衬板降低热阻，我们采用直接水冷的方式提升整个控制器的功率密度。当然这个产品在乘用车这块去年也已经某个项目量产了，目前国内的高压平台的辅驱基本上都选用了我们这款产品。这产品在乘用车850V条件下满足200多安培的电流输出的需求，如果800V条件下可能高一点，到280A。这里也列了一些数据，基于150度的结温做的测试和估算，如果商用车下，频率会稍微低一些，满足420安培的电流输出，可能比这个还大一点。这个基础上我们开发出第七代的产品，基于STMOS的芯片实现更大的出流能力和更强的短路耐受能力，满足高压主驱所在功率段的需求。当然相比于RTMOS来说，它的压降会降低，关断也是一样的，拖尾时长做了优化，目前这个产品开发出来以后正在一个项目上进行PV测试，它的需求可以满足800V条件下输出400A的能力，如果水温控制得低一点，输出能力会更高一些。 再往上就是1300V了，基于900V的平台，可能对于1200V器件来说有一个点就是过电压，会带来的是良率的损失。与其这样不如提升，我们开发出了1300V的器件，基于1300V的器件，我们现在通过一些片厚的调整，在电压的耐量、开关损耗、短路能力这块都做一些折衷的匹配，既保证它的有效输出，又保证它的安全性。目前基于1300V的产品我们也做了一些调整，65度水温可以在320A，45度水温可以到390A的能力，如果整流端可能就是在280A。堵转在270A，如果是2K的话。 还有刚才提到的混碳的方案，当然目前还在设计阶段。就是把原先的硅FRD改成碳化硅的SBD的形式，仍然沿用S3+的封装形式，但是我们想一个新的思路，看有没有可能。比如提升效率、降低损耗，因为SBD的影响，反向恢复基本没有了，如何保证它的可靠性，还是要用到一些烧结的工艺，保证它的功率循环的能力。现在做的一些计算仿真来看，Eon可以降低40%，整个损耗在25%左右的降低。如果IGBT本身不动它，做SBD反并联，输出能力可能会提升15%左右。当然我们会平衡烧结带来的成本差异，效率提升这块我们会和包括电驱、整车一起算这个账，看能不能支撑这条路走下去。 未来发展趋势，一个方面是更精细化。刚才提到中车的产品，4、5、6、7代都是往更精细化调整的，降低动态损耗。还有降片厚，保证你的耐压是可靠的同时，降了片厚就是降静态的损耗，通过元胞尺寸更精细化，片厚的更薄，达到器件更耐压，损耗更低。 第二，更高的工作结温。我们也做了一些试验验证，包括芯片的优化，表面膜的优化来提升耐热载流子的能力。我们现在在做200度的HTRB长期的可靠性应用。现在175度的结温应用已经可以了，200度以上硅是不是可以达到，包括一些封装材料的达成，还有环氧或者高温硅胶的使用，或者焊接材料的使用等等，把工作结温再做提升，从器件本身能力挖潜。 第三，RC基于逆导的情况。它的热阻是降低的，带来的就是输出能力的增加。我们也对比了一下，比如一个950模块和我1200A的模块相比，整个输出能力可以提升15%以上。当然这条路线现在国际同行也在走，但是很多是基于普通的沟槽，输出能力是可以提升的，但是效率好像没有办法提升。我们也在想能否基于STMOS超精细沟槽的状态下再去做RC，把效率和输出能力提升同步做到。还有基于应用，更高电压，如果800V再往上1000V，能否做三电平呢，这是电驱要考量的方案。理论上是可行的，它所承载的电压是一半，可以用更低的器件应用到更高的系统电压当中。另外更多层次的输出电压，谐波还会更小一些。当然要做的三电平的系统，对器件的一致性要求更高一些。 这是我的分享，非常感谢大家。中车一直致力于功率半导体这条路，尤其是车用这块我们这几年有赖于合作伙伴一起帮我们把能力逐步提升，我们也希望通过我们的技术加持包括我们提供稳定的交付、稳定质量输出的产品来保证各位系统的应用、整车的应用能够更加可靠。谢谢。 |
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