碳化硅功率模塊及電控的設(shè)計、測試與系統(tǒng)評估

前言：臻驅(qū)科技(上海)有限公司(以下簡稱“臻驅(qū)科技”)是一家以研發(fā)、生產(chǎn)和銷售新能源車動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，及對應(yīng)電機(jī)控制器的開發(fā)。本文即介紹臻驅(qū)對碳化硅功率模塊的開發(fā)、測試及系統(tǒng)評估。

Introduction

碳化硅功率半導(dǎo)體近年來在能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中正在成為一個熱門的話題：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)帶來更大優(yōu)勢。

臻驅(qū)科技計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)動器中(以下簡稱“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)行開發(fā)之前，應(yīng)用者需要進(jìn)行評估，哪些碳化硅的特性能給主驅(qū)應(yīng)用帶來最大的價值。例如，對于此類DC-AC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，碳化硅技術(shù)的導(dǎo)入對于電控體積的減小并沒有顯著的作用，因為電控的體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，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顯著增加)，以及是否因為節(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。

表1羅姆公司第四代SiC芯片性能概覽

在臻驅(qū)看來，碳化硅技術(shù)應(yīng)用于主驅(qū)電控的主要系統(tǒng)優(yōu)勢，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更大的百公里加速度。臻驅(qū)第一款開發(fā)的是750V的碳化硅模塊，針對A級及以上的乘用車型;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，見表1。

本文介紹了該項目的研發(fā)過程：包含系統(tǒng)性能評估(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，包括封裝形式、電磁、熱、結(jié)構(gòu)、可制造性等;模塊性能測試，對標(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)性能評估，包括最大輸出功率、高效區(qū)并輔以臺架實(shí)測結(jié)果，并展開其對續(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，可用于計算系統(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的計算原理是將時域激勵波形轉(zhuǎn)成頻域的頻譜，同時將負(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)，再對該頻域響應(yīng)逆變換成時域波形。通過此種方式，該工具的輸出波形具有極高的穩(wěn)態(tài)精度，同時又避免了一般的時域仿真工具從初始狀態(tài)到最終穩(wěn)態(tài)的等待時間，使其仿真時間可以從每個仿真數(shù)十分鐘縮減至1-2秒。因此ScanTool特別適合動輒需要仿真成百上千種軟硬件設(shè)計組合的高自由度的電力電子系統(tǒng)的前期設(shè)計。一個圖像化的原理介紹見圖1。

圖1Scantool原理框圖

一般而言，當(dāng)人們設(shè)計一款基于IGBT芯片的功率模塊時，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(或者說是最大結(jié)溫時能輸出的峰值功率)。此項目采用碳化硅芯片，單個面積小、適合多芯片并聯(lián)，但其價格較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，除了最高結(jié)溫限制了最大輸出功率，還必須考慮它對于系統(tǒng)層面的優(yōu)勢——如之前所提到過的，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)合財務(wù)回報模型進(jìn)行綜合分析。一種簡化的財務(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)營支出(OPEX)，最終可以折算出獲得財務(wù)回報的時間點(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)層面測算模型涉及到很多變量的假設(shè)，本文不再贅述。

經(jīng)過一系列的系統(tǒng)分析，我們驗證了芯片并聯(lián)數(shù)量過多，不會對續(xù)航里程進(jìn)一步提升有過多幫助，而只能提升該車的最大加速度;芯片數(shù)量過少，貌似模塊成本降低，但也可能失去效率/經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢——尤其是考慮碳化硅芯片的正溫度系數(shù)后。

基于此結(jié)果，作者對選擇的芯片數(shù)量依據(jù)財務(wù)模型進(jìn)行了優(yōu)化，既能避免無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)量過少而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢不再。同時，臻驅(qū)碳化硅模塊也引入了平臺化設(shè)計的理念，即當(dāng)客戶對于整車加速性有更高要求的時候(例如對于部分高端車型)，模塊內(nèi)部可以根據(jù)客戶需求而并聯(lián)更多的芯片，從而提高最大瞬時輸出功率，給整車用戶提供更大的推背體驗。

模塊本體設(shè)計

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)，會在碳化硅模塊的設(shè)計中變得十分關(guān)鍵。這些指標(biāo)包括了各并聯(lián)碳化硅芯片之間的開關(guān)時刻同步性、芯片的瞬態(tài)電流電壓應(yīng)力的均衡性、功率鏈路對于門極的干擾等。其中，前兩個指標(biāo)體現(xiàn)在模塊外特性上，它們會決定該模塊的極限電壓與電流輸出能力;功率鏈路對門極的干擾，是器件在開通關(guān)斷的瞬間，將電磁能量通過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)計項目中，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，甚至在某些極限工況下，此諧振會進(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)。為了解決這個問題，臻驅(qū)開發(fā)了一系列設(shè)計輔助工具，并基于此優(yōu)化了模塊本體設(shè)計，最終將該問題基本解決。圖2是兩個輸出波形的對比?？梢钥闯?，在相同的工況下，優(yōu)化后的模塊設(shè)計不再有明顯的振蕩現(xiàn)象。

(a) 改善前

(b) 改善后

圖2改善前(上圖)與改善后(下圖)的關(guān)斷電壓與電流波形

最終，臻驅(qū)設(shè)計的碳化硅功率模塊經(jīng)過多次迭代，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)隊內(nèi)部進(jìn)行的競品對標(biāo)評估，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，功率鏈路對于門極的電壓毛刺干擾也大大減小;模塊開關(guān)時刻的高頻振蕩問題也得到了較好的解決。

碳化硅模塊性能對標(biāo)測試

功率模塊的測試包含性能與可靠性測試，而性能測試可以分為用于導(dǎo)通損耗評估的靜態(tài)測試與用于開關(guān)損耗評估的動態(tài)測試。后者通常的實(shí)現(xiàn)方法是一種稱為“雙脈沖測試”的方法，它需要對于被測器件施加不同的電壓、電流、器件溫度，甚至不同的門極驅(qū)動電阻，以進(jìn)行全面測試評估。一個完整的測試DoE表格(DesignofExperiment)可包含數(shù)千個工作點(diǎn)?？紤]到接著還需要進(jìn)行大量的測試數(shù)據(jù)的后處理工作，功率器件的動態(tài)測試顯然是一個費(fèi)時費(fèi)力的任務(wù)。因此，很多情況下，用戶不得不選擇降低測試點(diǎn)密度，即刪減DoE表格的長度來縮短測試時間。

臻驅(qū)科技開發(fā)出了一套高精度、高測試速度的功率模塊動態(tài)測試標(biāo)定平臺，它基本可以做到“一鍵”完成數(shù)千個工作點(diǎn)的全自動測試，并自動化后做數(shù)據(jù)的后處理，并半自動地生成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊測試報告。使用者所需要做的，只是對測試前期硬件進(jìn)行配置、生成科學(xué)的DoE表格，以及對最終的測試報告添加主觀評估的內(nèi)容。對一個有3000多個測試點(diǎn)的模塊標(biāo)定任務(wù)，相較于一般的手動/半手動測試系統(tǒng)，該自動化標(biāo)定平臺可以將工作從2個月壓縮到2天，且包含了數(shù)據(jù)后處理及報告生成。圖3介紹了該測試平臺的核心功能。

(a) 自動化測試界面

(b) 自動化的數(shù)據(jù)后處理

(c) 半自動化的報告生成

圖3 雙脈沖測試平臺核心功能

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

碳化硅電控的效率對標(biāo)測試

接著，基于碳化硅功率模塊及其配套的門極驅(qū)動被裝入了電機(jī)控制器，并匹配一永磁電機(jī)進(jìn)行效率圖的標(biāo)定，其結(jié)果用于與基于IGBT功率模塊的電控的對標(biāo)。電控及驅(qū)動電機(jī)測試系統(tǒng)見圖4。

圖4SiC電機(jī)控制器效率測試

(a) IGBT逆變器效率

(b) SiC逆變器效率

圖5IGBT電控與SiC電控實(shí)測效率對比

IGBT電控與碳化硅電控的實(shí)測效率圖與關(guān)鍵參數(shù)對比分別見圖5與表2。可以看到，采用了碳化硅功率模塊的電控?zé)o論是在最高效率、最低效率，還是高效區(qū)都有了顯著的提升。尤其是在低扭矩的輕載情況下，碳化硅的效率優(yōu)勢極為明顯。這主要是得益于單極性功率器件在輕載時的導(dǎo)通損耗低，及全區(qū)域的開關(guān)損耗低的特性。

表2IGBT電控與SiC電控實(shí)測效率對比

注：電控實(shí)際效率通過功率分析儀測量得出，在極高效率區(qū)間由于設(shè)備精度限制可能存在一定誤差。

功率分析設(shè)備采用Yokogawa WT3004E，于逆變器輸入輸出端口進(jìn)行效率測量

碳化硅電控的效率仿真驗證

此外，我們也將雙脈沖測試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入了系統(tǒng)評估工具ScanTool，對效率圖進(jìn)行了仿真計算。需要指出的是，由于碳化硅器件有較明顯的正溫度系數(shù)特性(即損耗隨著溫度升高而增加)，ScanTool中設(shè)置了溫度迭代功能，即根據(jù)前一次仿真結(jié)果的器件結(jié)溫計算該器件在此結(jié)溫下的損耗，再進(jìn)行結(jié)溫復(fù)算，直至前后兩次計算結(jié)果的溫度偏差小于1度?？梢韵胂蟮氖?，當(dāng)芯片并聯(lián)數(shù)量過少的時候，由于結(jié)溫升高會引起器件的損耗增加;反之，芯片并聯(lián)數(shù)量較多時，單個器件的損耗較低，使其工作結(jié)溫也較低，在此較低的結(jié)溫下，碳化硅芯片的損耗將進(jìn)一步減少?？梢?，具備溫度-損耗的迭代功能的ScanTool是保證建模精度的一個關(guān)鍵。

(a) IGBT逆變器效率

(b) SiC逆變器效率

圖6基于損耗測試數(shù)據(jù)的IGBT電控與SiC電控Scantool仿真效率對比 (考慮損耗溫度系數(shù))

仿真的結(jié)果顯示在圖6及表3。對照圖5和表2的實(shí)測結(jié)果，我們可以看到，分析工具與實(shí)測結(jié)果是十分吻合的。兩者之間的剩余差異主要體現(xiàn)在低速區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)的電控輸出功率很低，因此電控內(nèi)的殘余損耗顯得明顯，如銅排與母線電容上的損耗等。此外，脈寬調(diào)制的方案、測試設(shè)備的精度也是可能的原因，但這些較小的差異不影響接下去的系統(tǒng)級續(xù)航里程分析。

表3 基于損耗測試數(shù)據(jù)的IGBT電控與SiC電控仿真效率對比

碳化硅電控的最大輸出能力分析

碳化硅模塊內(nèi)部的芯片并聯(lián)數(shù)量越多，其電控的輸出能力越大。在這項分析中，我們假設(shè)碳化硅與IGBT允許工作在相同的最高結(jié)溫下即150℃。ScanTool的仿真結(jié)果顯示，當(dāng)模塊采用6芯片并聯(lián)時，最大輸出功率增加12.4%;當(dāng)采用8芯片并聯(lián)時，功率增加31%。

在實(shí)驗中，由于動力總成臺架的能力限制，我們使用了電感作為負(fù)載來測試最大輸出能力。相較于采用真實(shí)電機(jī)負(fù)載，這個妥協(xié)的方案用于評估碳化硅模塊測試是可以接受的，原因是碳化硅芯片雙向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)使得其損耗對于負(fù)載的功率因數(shù)的大小并不敏感。

圖9展示了碳化硅電控輸出達(dá)到了600 Arms，且已達(dá)到了測試設(shè)備的最大能力。需要指出的是，在電控應(yīng)用場景中，我們保持了10kHz的開關(guān)頻率，而此時碳化硅模塊的開關(guān)損耗的百分比仍是較低的(約20%)。因此，通過升級軟件的控制頻率和驅(qū)動電路的功率能力，可以顯著提升電控的開關(guān)頻率而不導(dǎo)致明顯的功率降額。在高開關(guān)頻率下，負(fù)載的基波頻率也可以顯著提升，即將電控用于如高速空壓機(jī)、航天等應(yīng)用場景。

圖9碳化硅電控實(shí)際運(yùn)行波形(基波頻率300Hz, 電流有效值600A，直流母線420V)

碳化硅電控帶來的系統(tǒng)優(yōu)勢評估

此處的系統(tǒng)評估指的主要是整車層面的續(xù)航里程。為此，臻驅(qū)科技已開發(fā)了一套整車基于指定路譜的計算工具：使用者選定一款車型，并指定路況模板后，該工具將輸出對應(yīng)于動力總成(電機(jī)+電控)的扭矩與轉(zhuǎn)速指令，并根據(jù)ScanTool計算或?qū)嶋H標(biāo)定得出的碳化硅電控及電機(jī)的效率圖，計算出整車的續(xù)航里程。

圖10整車?yán)m(xù)航里程系統(tǒng)評估工具概念圖 (*注：部分子部件圖片來自網(wǎng)絡(luò))

(a) 搭載IGBT電控的整車能耗分布

(b) 搭載SiC電控的整車能耗分布

圖11搭載IGBT電控與SiC電控的整車能耗分布對比 (一個CLTC-P循環(huán)路況下)

此處我們選擇了一款低風(fēng)阻的轎車車型，并匹配如圖5所示的IGBT/SiC電控及其對應(yīng)驅(qū)動電機(jī)實(shí)測效率，置于CLTC-P(China Light-duty Vehicle Test Cycle – passenger car, 中國輕型汽車行駛工況-乘用車)路譜下進(jìn)行仿真分析，整車系統(tǒng)能耗對比見圖11。較原來搭載的IGBT電控方案，搭載了臻驅(qū)碳化硅電控的整車能耗降低4.4%，即搭載相同電池容量情況下，續(xù)航里程可增加4.4%!這個令人振奮的結(jié)果，證明了碳化硅技術(shù)在新能源車主驅(qū)應(yīng)用中的顯著優(yōu)勢。用戶可根據(jù)此結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行整車經(jīng)濟(jì)性方面的分析。

項目總結(jié)

本文介紹了臻驅(qū)科技對于碳化硅功率模塊及電控的開發(fā)、測試及系統(tǒng)評估。實(shí)測結(jié)果證明，該碳化硅功率模塊工作穩(wěn)定，并相較于IGBT模塊在損耗方面有明顯降低;所對應(yīng)的碳化硅電控，相較于IGBT電控，無論在最大輸出功率還是續(xù)航里程上都有顯著的優(yōu)勢。此項目也側(cè)面證明了，碳化硅技術(shù)應(yīng)用于新能源車的主驅(qū)是大勢所趨。

(a) 組裝線(自動化率約85%)

(b) 測試線(自動化率100%)

圖12臻驅(qū)自動化產(chǎn)線

本文所開發(fā)的碳化硅功率模塊與某主流IGBT功率模塊在功率端子部分兼容，而門極位置經(jīng)過了優(yōu)化改動，其目的是優(yōu)化模塊內(nèi)部的電氣性能。本文所開發(fā)的碳化硅電控與IGBT電控的功能完全兼容而性能優(yōu)勢明顯，并可在臻驅(qū)科技現(xiàn)有的電控自動化產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

臻驅(qū)科技自主研發(fā)了一套自動化產(chǎn)線(見圖12)，其規(guī)劃產(chǎn)能為每年15萬臺，組裝線自動化率約85%，測試線自動化率為100%。工廠通過了TUEV(德國技術(shù)監(jiān)督協(xié)會的)的IATF16949質(zhì)量體系認(rèn)證。

臨近尾聲，作者對碳化硅電控的心得討論如下：

1. 碳化硅用于電控的主要優(yōu)勢在于效率，而更高效率帶來的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢在于電池安裝成本及充電成本的降低;

2. 碳化硅模塊設(shè)計時，其芯片并聯(lián)數(shù)量需要一定過設(shè)計以實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)性;更多的芯片并聯(lián)會降低經(jīng)濟(jì)性，但可幫助整車實(shí)現(xiàn)更大的加速度;

3. 碳化硅模塊本體設(shè)計難點(diǎn)在于電磁部分，需要開發(fā)出精確的建模和設(shè)計輔助工具;

4. 碳化硅技術(shù)用于小風(fēng)阻車型時續(xù)航里程可增加4%以上。

總體而言，碳化硅電控適用于續(xù)航里程長、風(fēng)阻小的高端車型，并對整車使用頻次較高的用戶有更高經(jīng)濟(jì)價值。