前言：臻驅(qū)科技（上海）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“臻驅(qū)科技”）是一家以研發(fā)、生產(chǎn)和銷售新能源車動(dòng)力總成及其功率半導(dǎo)體模塊為核心業(yè)務(wù)的高科技公司。2019年底，臻驅(qū)科技與日本羅姆半導(dǎo)體公司成立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，合作內(nèi)容包含了基于某些客戶的需求，進(jìn)行基于羅姆碳化硅芯片的功率半導(dǎo)體模塊，及對(duì)應(yīng)電機(jī)控制器的開(kāi)發(fā)。本文即介紹臻驅(qū)對(duì)碳化硅功率模塊的開(kāi)發(fā)、測(cè)試及系統(tǒng)評(píng)估。

Introduction

碳化硅功率半導(dǎo)體近年來(lái)在能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中正在成為一個(gè)熱門的話題：由于材料屬性，使得它具有比硅基半導(dǎo)體器件更高的最大結(jié)溫、更小的損耗，以及更小的材料熱阻系數(shù)等。

因此，很多人宣稱，當(dāng)碳化硅功率器件應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換后，變頻器系統(tǒng)將有更高的功率密度、更小的體積、更高的允許工作溫度，以及更低的損耗，從而給應(yīng)用系統(tǒng)帶來(lái)更大優(yōu)勢(shì)。

臻驅(qū)科技計(jì)劃將碳化硅芯片封裝至功率模塊，并應(yīng)用于新能源車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中（以下簡(jiǎn)稱“電控”），用于取代其現(xiàn)有的硅基IGBT功率模塊（峰值功率約為150 kW）。

進(jìn)行開(kāi)發(fā)之前，應(yīng)用者需要進(jìn)行評(píng)估，哪些碳化硅的特性能給主驅(qū)應(yīng)用帶來(lái)最大的價(jià)值。例如，對(duì)于此類DC－AC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，碳化硅技術(shù)的導(dǎo)入對(duì)于電控體積的減小并沒(méi)有顯著的作用，因?yàn)殡娍氐捏w積主要取決于其各子部件的封裝技術(shù)而功率模塊只占其中很小的百分比；另一些人宣稱可以利用碳化硅更高工作結(jié)溫的優(yōu)勢(shì)，少安裝芯片數(shù)量并使其工作在高溫，從而降低成本。也許，此特性適用于如地下鉆探等環(huán)境溫度很高的應(yīng)用，但對(duì)于新能源車而言，是否有必要將結(jié)溫推高而犧牲效率（注：碳化硅在高溫下的損耗會(huì)顯著增加），以及是否因?yàn)楣?jié)省了芯片數(shù)量就能節(jié)省系統(tǒng)成本，是需要被質(zhì)疑的。

在臻驅(qū)看來(lái)，碳化硅技術(shù)應(yīng)用于主驅(qū)電控的主要系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，是在于效率的提升，以及峰值輸出功率的增加。前者可以提升續(xù)航里程或減少電池安裝數(shù)量，后者可以給整車帶來(lái)更大的百公里加速度。臻驅(qū)第一款開(kāi)發(fā)的是750V的碳化硅模塊，針對(duì)A級(jí)及以上的乘用車型；第二款是1200V碳化硅模塊，應(yīng)用于800V系統(tǒng)的乘用車或商用車。在臻驅(qū)開(kāi)發(fā)的碳化硅模塊中，臻驅(qū)采用的是羅姆最新的第四代750V及1200V芯片，以1200V芯片為例，其綜合性能較上一代產(chǎn)品有顯著提升，見(jiàn)表1。

本文介紹了該項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程：包含系統(tǒng)性能評(píng)估（top－down flow），用于選擇芯片并聯(lián)數(shù)量；碳化硅模塊的本體設(shè)計(jì)，包括封裝形式、電磁、熱、結(jié)構(gòu)、可制造性等；模塊性能測(cè)試，對(duì)標(biāo)某知名IGBT功率模塊；根據(jù)模塊的標(biāo)定結(jié)果迭代系統(tǒng)性能評(píng)估，包括最大輸出功率、高效區(qū)并輔以臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果，并展開(kāi)其對(duì)續(xù)航里程影響的分析?；谝陨辖Y(jié)果，本文最后將總結(jié)一下關(guān)于碳化硅模塊應(yīng)用于主驅(qū)設(shè)計(jì)的方法論。

系統(tǒng)分析

根據(jù)羅姆提供的第四代SiC芯片規(guī)格書，作者將其相關(guān)參數(shù)導(dǎo)入至臻驅(qū)的系統(tǒng)分析工具——ScanTool中。ScanTool是一種時(shí)域－頻域混合的穩(wěn)態(tài)仿真工具，主要用于電力電子系統(tǒng)的前期方案設(shè)計(jì)，可用于計(jì)算系統(tǒng)在不同軟硬件配置下的功率、效率、輸出波形失真、母線電容的電壓紋波及電流應(yīng)力等。ScanTool的計(jì)算原理是將時(shí)域激勵(lì)波形轉(zhuǎn)成頻域的頻譜，同時(shí)將負(fù)載用頻域矩陣的形式表述，兩者相乘從而獲得頻域的響應(yīng)，再對(duì)該頻域響應(yīng)逆變換成時(shí)域波形。通過(guò)此種方式，該工具的輸出波形具有極高的穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)又避免了一般的時(shí)域仿真工具從初始狀態(tài)到最終穩(wěn)態(tài)的等待時(shí)間，使其仿真時(shí)間可以從每個(gè)仿真數(shù)十分鐘縮減至1－2秒。因此ScanTool特別適合動(dòng)輒需要仿真成百上千種軟硬件設(shè)計(jì)組合的高自由度的電力電子系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)。一個(gè)圖像化的原理介紹見(jiàn)圖1。

一般而言，當(dāng)人們?cè)O(shè)計(jì)一款基于IGBT芯片的功率模塊時(shí)，芯片的種類及并聯(lián)數(shù)量的選擇依據(jù)大多為芯片的結(jié)溫（或者說(shuō)是最大結(jié)溫時(shí)能輸出的峰值功率）。此項(xiàng)目采用碳化硅芯片，單個(gè)面積小、適合多芯片并聯(lián)，但其價(jià)格較IGBT高出不少。另一方面，碳化硅屬于單極性器件，因此碳化硅芯片的并聯(lián)數(shù)量越多，其總導(dǎo)通損耗越低，并可因此提高電控的效率。所以，選擇芯片并聯(lián)數(shù)量時(shí)，除了最高結(jié)溫限制了最大輸出功率，還必須考慮它對(duì)于系統(tǒng)層面的優(yōu)勢(shì)——如之前所提到過(guò)的，即必須考慮綜合的效率提升，尤其是如在NEDC、WLTC、CLTC等循環(huán)路況下的續(xù)航里程的提升，并結(jié)合財(cái)務(wù)回報(bào)模型進(jìn)行綜合分析。一種簡(jiǎn)化的財(cái)務(wù)模型可以包含使用碳化硅的模塊（較IGBT模塊）導(dǎo)致的成本差異、電池安裝成本減少，以及后續(xù)的充電使用成本減少。前兩者為初始投資支出（CAPEX），后者為運(yùn)營(yíng)支出（OPEX），最終可以折算出獲得財(cái)務(wù)回報(bào)的時(shí)間點(diǎn)。根據(jù)車型與用戶使用頻次，該盈虧平衡點(diǎn)可以在1－4年之間。由于該系統(tǒng)層面測(cè)算模型涉及到很多變量的假設(shè)，本文不再贅述。

經(jīng)過(guò)一系列的系統(tǒng)分析，我們驗(yàn)證了芯片并聯(lián)數(shù)量過(guò)多，不會(huì)對(duì)續(xù)航里程進(jìn)一步提升有過(guò)多幫助，而只能提升該車的最大加速度；芯片數(shù)量過(guò)少，貌似模塊成本降低，但也可能失去效率／經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)——尤其是考慮碳化硅芯片的正溫度系數(shù)后。

基于此結(jié)果，作者對(duì)選擇的芯片數(shù)量依據(jù)財(cái)務(wù)模型進(jìn)行了優(yōu)化，既能避免無(wú)謂的多安裝的芯片而導(dǎo)致的成本增加，也避免了芯片并聯(lián)數(shù)量過(guò)少而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不再。同時(shí)，臻驅(qū)碳化硅模塊也引入了平臺(tái)化設(shè)計(jì)的理念，即當(dāng)客戶對(duì)于整車加速性有更高要求的時(shí)候（例如對(duì)于部分高端車型），模塊內(nèi)部可以根據(jù)客戶需求而并聯(lián)更多的芯片，從而提高最大瞬時(shí)輸出功率，給整車用戶提供更大的推背體驗(yàn)。

模塊本體設(shè)計(jì)

當(dāng)芯片選型與并聯(lián)數(shù)量確定后，我們進(jìn)入功率半導(dǎo)體模塊的本體設(shè)計(jì)階段，它一般包含電磁、熱、結(jié)構(gòu)與可制造性等內(nèi)容。需要注意的是，碳化硅的開(kāi)關(guān)速度比硅基的IGBT高很多，所以，一些在IGBT模塊中通常并不嚴(yán)苛的指標(biāo)，會(huì)在碳化硅模塊的設(shè)計(jì)中變得十分關(guān)鍵。這些指標(biāo)包括了各并聯(lián)碳化硅芯片之間的開(kāi)關(guān)時(shí)刻同步性、芯片的瞬態(tài)電流電壓應(yīng)力的均衡性、功率鏈路對(duì)于門極的干擾等。其中，前兩個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)在模塊外特性上，它們會(huì)決定該模塊的極限電壓與電流輸出能力；功率鏈路對(duì)門極的干擾，是器件在開(kāi)通關(guān)斷的瞬間，將電磁能量通過(guò)空間耦合到控制鏈路上，其造成的后果可能是導(dǎo)致門極瞬態(tài)電壓應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致門極老化加快、壽命減少，嚴(yán)重的可導(dǎo)致功率的誤觸發(fā)，造成模塊及系統(tǒng)的損壞。

此外，在臻驅(qū)之前的碳化硅功率模塊的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，發(fā)現(xiàn)碳化硅模塊中較為明顯的振蕩現(xiàn)象，它是由功率模塊的漏感與碳化硅芯片的結(jié)電容構(gòu)成的LC諧振，通常其頻率在數(shù)十兆赫茲。該振蕩會(huì)影響到電控系統(tǒng)的電磁兼容表現(xiàn)，并降低碳化硅模塊的效率優(yōu)勢(shì)，甚至在某些極限工況下，此諧振會(huì)進(jìn)一步惡化，使電壓電流幅值超越器件的安全工作區(qū)域（SOA）。為了解決這個(gè)問(wèn)題，臻驅(qū)開(kāi)發(fā)了一系列設(shè)計(jì)輔助工具，并基于此優(yōu)化了模塊本體設(shè)計(jì)，最終將該問(wèn)題基本解決。圖2是兩個(gè)輸出波形的對(duì)比?？梢钥闯?，在相同的工況下，優(yōu)化后的模塊設(shè)計(jì)不再有明顯的振蕩現(xiàn)象。

最終，臻驅(qū)設(shè)計(jì)的碳化硅功率模塊經(jīng)過(guò)多次迭代，將模塊內(nèi)部多芯片之間的瞬態(tài)應(yīng)力不平衡度降低到了10％以下。根據(jù)團(tuán)隊(duì)內(nèi)部進(jìn)行的競(jìng)品對(duì)標(biāo)評(píng)估，認(rèn)為僅此性能就已經(jīng)做到了業(yè)內(nèi)的頂尖水平。同時(shí)，功率鏈路對(duì)于門極的電壓毛刺干擾也大大減?。荒K開(kāi)關(guān)時(shí)刻的高頻振蕩問(wèn)題也得到了較好的解決。

碳化硅模塊性能對(duì)標(biāo)測(cè)試

功率模塊的測(cè)試包含性能與可靠性測(cè)試，而性能測(cè)試可以分為用于導(dǎo)通損耗評(píng)估的靜態(tài)測(cè)試與用于開(kāi)關(guān)損耗評(píng)估的動(dòng)態(tài)測(cè)試。后者通常的實(shí)現(xiàn)方法是一種稱為“雙脈沖測(cè)試”的方法，它需要對(duì)于被測(cè)器件施加不同的電壓、電流、器件溫度，甚至不同的門極驅(qū)動(dòng)電阻，以進(jìn)行全面測(cè)試評(píng)估。一個(gè)完整的測(cè)試DoE表格（Design of Experiment）可包含數(shù)千個(gè)工作點(diǎn)。考慮到接著還需要進(jìn)行大量的測(cè)試數(shù)據(jù)的后處理工作，功率器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試顯然是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的任務(wù)。因此，很多情況下，用戶不得不選擇降低測(cè)試點(diǎn)密度，即刪減DoE表格的長(zhǎng)度來(lái)縮短測(cè)試時(shí)間。

臻驅(qū)科技開(kāi)發(fā)出了一套高精度、高測(cè)試速度的功率模塊動(dòng)態(tài)測(cè)試標(biāo)定平臺(tái)，它基本可以做到“一鍵”完成數(shù)千個(gè)工作點(diǎn)的全自動(dòng)測(cè)試，并自動(dòng)化后做數(shù)據(jù)的后處理，并半自動(dòng)地生成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊測(cè)試報(bào)告。使用者所需要做的，只是對(duì)測(cè)試前期硬件進(jìn)行配置、生成科學(xué)的DoE表格，以及對(duì)最終的測(cè)試報(bào)告添加主觀評(píng)估的內(nèi)容。對(duì)一個(gè)有3000多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的模塊標(biāo)定任務(wù)，相較于一般的手動(dòng)／半手動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，該自動(dòng)化標(biāo)定平臺(tái)可以將工作從2個(gè)月壓縮到2天，且包含了數(shù)據(jù)后處理及報(bào)告生成。圖3介紹了該測(cè)試平臺(tái)的核心功能。

本項(xiàng)目中，動(dòng)態(tài)性能的參考對(duì)象為一知名的IGBT功率模塊。測(cè)試結(jié)果顯示，臻驅(qū)開(kāi)發(fā)的碳化硅功率模塊在動(dòng)態(tài)性能上全面超越了參考的IGBT功率模塊，這包括了開(kāi)通損耗、關(guān)斷損耗及體二極管的反向恢復(fù)損耗。同時(shí)，碳化硅模塊在極端溫度下也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的振蕩。

審核編輯：符乾江