与工业和住宅等其他能源需求领域相比，汽车行业的电气化正在引领实现气候变化协议中拟定的总净零碳目标。分析师估计，到2028年，混合动力汽车和纯电动汽车加起来将超过新车净销量的50%。本文将重点介绍安森美(onsemi)先进电源事业部高级技术营销总监Mrinal Das博士在2023年PowerUp Expo展会上的演讲。本次演讲以“Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification”(汽车电气化碳化硅革命的市场动态)为主题，介绍了面向电动汽车市场的SiC功率半导体解决方案。
SiC MOSFET在电动汽车牵引逆变器中找到了理想的应用领域。其更高的开关频率、更低的损耗和改进的高温性能已转化为逆变器系统的效率和尺寸改进。由于可以在给定的电池电量下提高行驶里程，因此这可以使终端客户受益。图1显示了各种类型电动汽车的牵引逆变器额定功率的趋势，例如插电式汽车和混合动力汽车(PHEV和HEV)以及纯电动汽车(BEV)。2022年，SiC的总潜在市场(TAM)约为10亿美元。预计到2028年，这一数字将增长至50亿美元。中小功率逆变器领域(＜150kW)目前由Si IGBT主导，但随着SiC使用的增加，这种情况正在迅速改变，特别是在＞80kW领域。高性能电动汽车、电动SUV和卡车中超过200kW的市场通常使用SiC器件。图1中看到的一个趋势是，小功率PHEV和HEV细分市场的需求预计将会萎缩，而对大功率逆变器的需求则相应增加。
图1：电动汽车牵引逆变器功率趋势。(图片来源：M. Das, “Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification,” PowerUP Expo 2023)
Onsemi在SiC技术各个方面开发的多年经验，使该公司SiC MOSFET器件取得了重大改进，并以EliteSiC名称进行销售。400-800V电池供电需要使用额定电压为600-1200V的逆变器，同时要在每相高达1000A的电流水平下运行。过去的重点是平面MOSFET技术，这代表了当前发布的产品。如图2所示，M1平面1200V MOSFET演变为M3S器件，单元间距和薄晶圆工艺获得显著改进，从而改善了MOSFET的比导通电阻RDS(on)。
图2：onsemi SiC MOSFET的演变。(图片来源：M. Das, “Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification,” PowerUP Expo 2023)
M3E器件是计划发布的最新平面SiC，可提供一流的性能，同时改善器件RDS(on)与其短路性能之间的权衡。
沟槽式SiC MOSFET提供了进一步的尺寸缩小和其他的器件性能优势，计划用于750V和1200V节点的M4T沟槽器件目前正在开发中。
图3显示了芯片中添加的一些智能芯片功能。其中包括重新分布层(RDL)，以实现栅极焊盘位置和尺寸的灵活性。温度传感器的单片集成和具有可调节栅极电阻的可调多晶硅电阻器，简化了设计调整和系统监控。还包括用于焊接和烧结附件的金属化选项。
图3：onsemi SiC MOSFET智能芯片功能。(图片来源：M. Das, “Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification,” PowerUP Expo 2023)
改进电源模块封装以提高可靠性，同时降低热阻(Rth)和杂散电感(Ls)，是在困难的高温电源循环环境(如电动汽车牵引逆变器)中提高系统性能的关键。图4显示了onsemi SiC电源模块Rth品质因数的封装路线图。例如，在两个表面上进行烧结后，B2烧结/烧结模块的Rth值低于0.1K/W，而初始双面冷却(DSC)焊接模块的Rth值为0.15K/W。
图4：onsemi SiC MOSFET电源模块Rth路线图。(图片来源：M. Das, “Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification,” PowerUP Expo 2023)
Rth和Ls的改进可提高额定功率和效率，如图5所示。散热管理的改进和损耗的降低使得onsemi的VE-Trac系列汽车级电源模块具有一系列额定功率，从使用导热硅脂作为散热器的较便宜的120-150kW系统到使用烧结散热器的较大功率的150-300kW系统。衬底技术包括先进的AMB氮化硅DBC，以及铜夹正面金属键合和银芯片粘合烧结，以提高可靠性和散热性能。
图5：onsemi SiC MOSFET电源模块Rth路线图。(图片来源：M. Das, “Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification,” PowerUP Expo 2023)
Onsemi具有从晶体生长到封装的完全垂直的SiC制造能力，这使该公司能够更好地控制筛选和质量控制，以确保高可靠性。制造过程中的在线筛选和制造设备上的定制老化筛选可消除外在缺陷。平面栅极氧化物工艺流程利用了数十年的栅极氧化物改进，图6显示了由此实现的高可靠性。左侧的介电击穿时间(TDDB)曲线预测在最大工作栅极电压18V时故障率＜1ppm。在从-3V到18V的栅极循环应力测试下测得的阈值电压(VTH)稳定性显示，1E11个周期后仅发生约50mV的变化。
开发沟槽MOSFET将需要重新创建在平面SiC MOSFET上实现的高可靠性标准。
图6：onsemi SiC MOSFET栅极氧化物可靠性。(图片来源：M. Das, “Market Dynamics of the Automotive SiC Revolution for Electrification,” PowerUP Expo 2023)
EliteSiC MOSFET产品组合，以及专为电动汽车牵引逆变器市场量身定制的VE-Trac电源模块，使onsemi能够充分利用电动汽车市场强劲的增长预期。他们提供的专业级系统验证和参考设计、自助PLECS模型生成器以及包含角模型的Elite Power Simulator，也有助于降低客户在新系统设计中的风险。
Sonu Daryanani于1993年在英国布拉德福德大学获得电子工程博士学位，同时在美国新泽西州AT&T贝尔实验室进行砷化镓光电子学研究。在过去25年里，他是美国亚利桑那州Microchip Technology的器件/工艺集成工程师，从事微控制器和分立器件方面的工作。他现在是Power Electronics News的顾问和撰稿人。可通过sldaryanani@gmail.com联系他。
（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：The Automotive SiC Revolution，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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