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赛晶SwissSEM首席运营官演讲实录: 电动汽车和工业领域最先进的IGBT

发布日期:2021-07-08 浏览次数:3720 来源:变频器世界作者:网络
   6月25日,在PSiC2021第四届中国国际新能源汽车功率半导体关键技术论坛上,赛晶科技集团有限公司(以下简称:赛晶科技)正式发布了下一代车载单面冷却IGBT模块——EV-Type模块。这是专门针对电动汽车的应用需求,而设计的新型模块产品。

  赛晶科技董事长项颉表示,新能源汽车是全球各个国家竞相研发的新兴产业,是推动经济发展方向转变、促进经济增长的战略需要。赛晶最新研发针对电动汽车领域的单面冷却IGBT模块,应用了目前国际上最新的芯片和模块设计理念,具有极高的紧凑性设计,同时也完全适用于碳化硅芯片。期待能与广大车企携手合作,在未来电动车碳化硅模块领域,形成中国标准。



  赛晶科技瑞士子公司SwissSEM首席运营官Sven先生,通过视频的方式发表主题报告“电动汽车和工业领域最先进的IGBT”,首次发布了下一代车载单面冷却IGBT模块——EV-Type模块。为了让大家可以全方位地了解EV-Type模块,《变频器世界》对Sven先生的主题报告进行了编辑整理,以下为本次报告的演讲实录。

  先生们,女士们,大家好!我叫SvenMatthias,是SwissSEMTechnologiesAG公司的副总裁和首席运营官。很遗憾未能亲临现场。今天我将讨论SwissSEM的发展和即将开启进军电动汽车和功率半导体领域的使命,感谢聆听!

  我们SwissSEM公司的标志设计源自瑞士国旗的十字图案,也反映了我们的渊源:质量思维、技术,以及来自ABB高层的专家团队。SwissSEM—即设计于瑞士的半导体。

  SwissSEM旗下的赛晶亚太半导体科技(浙江)有限公司,位于嘉善县,我们也称为“SwissSEM中国公司”,是我们卓越的制造中心。与SwissSEM瑞士公司——卓越的设计、技术、项目管理中心,一起开发产品、建立生产基地,并一同打造最先进的制造和开发能力。

  两家公司都是项颉先生创立的赛晶电力电子集团有限公司所属的法人实体。

  公司使命是成为功率半导体元件的世界级提供商,产品覆盖工业、绿色能源和电动汽车市场。2019年,我们从零开始创建了这家公司,并且确立了几个发展阶段:首先确立“做什么”和“如何做”。首先,它是从确定需求和创造所需的资源开始的,这意味着产品研发策划(APQP)、初始供应基础、初始制造、原型和首次官方认证。在本次会谈期间,我确信公司即将完成第1阶段的任务,并且已经进入第2阶段。



  功率模块制造的一个重要原材料是芯片组,它决定了模块关键参数。因此,该器件的开发目标是实现尽可能低的总损耗。

  i20IGBT芯片的关键设计要素,如下:

  精细图案沟槽设计中,采用了一个非常狭窄的台面设计;

  优化的N-增强层。这两个设计要素的目标是尽可能增加IGBT发射极侧的电子/空穴等离子体;

  尽可能短的沟道长度,以确保低沟道阻抗;

  这些设计特点确保了低通导损耗(低开态电压降);

  该器件具有先进的3D结构P+设计;

  激光退火的缓冲层和阳极;

  以及超薄的N-基底;

  这些要素经过精心设计,尽量减少总开关损耗(EoffandEon)。

  与IGBT芯片配合工作的是二极管。二极管与IGBT一起开发,确保了最佳的芯片组整体性能。我们利用先进的发射极效率管理优化了二极管。在阳极侧,这是通过优化扩散分布来实现的。在阴极侧,我们利用激光退火来调整缓冲和阴极发射极。结合起来,使我们有可能实现较低的总损耗(通态电压降和反向恢复损耗)。在N-基底中,我们利用电子辐照来调整载流子寿命。N-基底厚度与发射极和载流子寿命一起调整,以实现反向软恢复。与特别设计的连接终端一起使用,以达到更好的反向恢复可靠性。该二极管可在反向恢复期间实现高di/dt,这降低了IGBT导通损耗。

  对于电气测试,我们利用了两种不同的模块来测试数据:



  在左侧,可以看到我们的EV型模块。它是一个半桥接口,每个桥臂由一个IGBT和二极管组成。同样,该模块类相当于三分之一的ED-Type模块。在如此小的尺寸内,实现了创纪录的高电流密度,包含两个1.2kV/250A芯片组。电感远低于10nH,带来了较低过冲电压。低于0.9mOhm的极低接触电阻,带来了极低的导通压降。优异的SiN基板,提供了非常低的热阻和出色的功率循环能力,一个内部热敏电阻完成封装。

  在右侧,可以看到ED-Type模块,它是一种标准的工业“EconoDual”形式封装,额定电压为1.2kV,额定电流为750A。它针对均衡分流进行了优化,具有低损耗和高可靠性的特征。后边,我将说明每项数据,是通过哪种模块获得的。在我们的EV-Type模块上测试,您可以看到我们的IGBT在125℃的外壳温度下的开通和关断特性。

  在整个演示过程中,栅极电压将以黑色表示,并乘以10倍,以便更好地识别。电压为蓝色,电流为红色。250A和600V条件下所做的单芯片测量,显示了柔软和良好的开关特性。外部开关参数,如栅极电阻Rg_on和Rg_off以及杂散电感,见页脚注释。IGBT必须耐受的典型失效模式是发生短路。施加600V的集电极-发射极电压,栅极以15V电压打开。在最大电流为2800A下,失效模式可以耐受10微秒,足以让驱动电路检测到失效模式并保护整个系统。

  二极管的额定条件也已确定。二极管结合了可靠的阻断能力与低损耗软切换特性。二极管的关键特征在于换向速度di/dt。这是由IGBT产生的,IGBT启动得越快,Eon的损失就越低。然而,这可能被二极管的恢复损耗过度补偿。因此,需要IGBT和二极管共同发展以达到一个最佳组合效果。



  总之,这个表格显示了环境温度为150℃的SwissSEMED-Type750A模块的典型数值。将它与类似封装的InfineonI4(仅仅将电流增加到750A)进行比较。您可以看到,ED-Type的通导损耗表现优于I4。与I4封装相比,SwissSEM产品的关断损耗将略高,但是开通损耗明显降低了20%。我们的二极管与I4的二极管,在恢复损耗和正向电压的表现相似。我们的芯片组耐温等级高达175℃。与IGBT4等类似的芯片组技术相比,SwissSEM的芯片组具有明显的优势。



  性能表现图形反映了输出功率/或电流与开关频率的关系。这种图形可以用来对模块进行系统级或应用级的比较。为了得到一个合适的参数集,我们比较了行业内其他的同类模块。热阻值取自数据表,然后我们测量了静态和动态损失以获取真实数据,而非仅依靠受营销因素影响的技术性能图表。

  有两个模块代表:位于底部的基于ED-Type封装的IGBT4/600A模块(灰色),和的富士电机封装/800A(蓝色)。SwissSEM的750A模块性能,开关频率在1kHz的情况下,仅比富士电机的模块低2%到3%。SwissSEM的模块将为我们的客户提供良好的性能。



  如前所述,IGBT的可控性是一个主要发展目标,通过外部栅极阻抗来实现对di/dt的外部调节。这是我们首批IGBT的典型开通曲线。此时所加的电压为600V,随后IGBT开通。在两次开通测试中,我们使用了两个不同的栅极电阻:1.5欧姆和5欧姆(第二次开通测试)。两个电流波形在这里相互叠加。图形清楚地显示,对外部栅极电阻设置完全没有响应。这对于调整损耗、根据应用需求调节开关是个坏消息。



  芯片研发团队开发出了现在可以从外部进行开通调节的一个优化结构。与相同温度下的初始测试相比,采用相同的1.5欧姆栅极电阻,IGBT的di/dt要低得多。此外,您可以看到,尽管条件苛刻,却显示了较低的最大电流。为了让我们看得更清楚,用蓝色表示的电压仅用于1.5欧姆的栅极电阻。增加开通电阻,开关速度会进一步降低。在多个步骤中,我们将电阻增大到15欧姆,图上显示为深红色。灰色反映了中间步骤。通过这种优化,我们的目标设计显示出良好的可控性。



  另一个关键性能参数是IGBT的鲁棒性。安全工作区域显示了电流等级仍然可以被安全关断。我们在很高的外壳温度下进行这些测试,采用两倍的额定电流,电压通常会高于器件集电极-发射极额定电压的50%。在右边您可以看到红色的电流很快变为零,电压上升到1200伏,安全通过一个强动态雪崩阶段,然后到达900伏的平台。

  下一步——将电流增加几安培,并重复进行测试。在这里可以看到安全关断电流约为700A,相当于2.8倍的额定电流。同样的情况像之前一样发生,安全的关断电流,很强的电压升高,甚至更长的动态雪崩过程。在这些逐步增加的条件下,除了简单地关断电流外,IGBT的运行只会出现两种情况:要么失效,要么达到饱和并进入短路模式。这些条件下,我们的器件在15V的栅极电压下实现饱和,电流约为标称电流的3倍。由于这个电流是被安全关断,我们的IGBT坚不可摧!



  在ED-Type模块上进行同样的测试。试验条件被提升至1500A(红色),即两倍额定电流,和800V直流连接。需要注意的是,外壳温度为175℃,最高的实际结温。

  该图形显示了在这些SOA条件下的安全关断过程,波形类似于EV-Type模块。这也意味着,在这样的测试过程中,结温远远超过了数据表中的最大限值。在这些情况下实现的安全关断,是选择了优良的原材料和成熟的模块组装技术的结果。最后同样重要的是,这也是所选电气布局的结果,我将在下一张幻灯片中进行解释。



  ED-Type模块通常由3个并联IGBT芯片和相应的续流二极管组成。问题是——从热量的角度看,怎样才是最好的布局?热模拟将带来一个视角:等高线图显示了温度分布与二维布局,最终热阻为37K/kW,芯片峰值温度差为3K,而IGBT“2”显示为最高温度。这是因为IGBT1和IGBT3加热了中间的IGBT。

  还有一种布局方案,我们称之为“直线”布局:所有的IGBT都在一侧,热阻相同。然而,峰值温度差总体上增加了1K到4K。之前提到的IGBT1和IGBT3的“热效应”在这个布置中稍微突出一些。只有在模拟中,您才能通过单个IGBT来测量电流。这种情况在图中绘制在中间和右侧。

  在经典布局中,我们发现,IGBT1的峰值电流为250A左右,而IGBT3的峰值电流超过400A。存在着很大的峰值不均匀性,在均流中达到了30%的不平衡性。与此相反,直线布局的不平衡性显著降低,仅为17%。实现的改进因数为2。热阻相同,两种布局之间的温度平衡也几乎相同!

  因此,客户将受益于直线布局。这种布局避免了特定芯片的过载情况,因此提供了更好的性能和可靠性,这在实验中已经证明。

  通过模块设计以及与我们的供应商的密切合作,我们向您介绍这款ED-Type模块:

  厚2mm的低阻抗电极端子,适用于高电流应用;

  高质量的框架,带有坚固的注塑连接器;

  在散热器上进行安装用的铆钉;

  用于高电流互连的低电阻铜键合线;

  优化的Al-键合线。;

  我们的i20IGBT和二极管芯片组;

  DBC-基片和预成型的铜底板实现与散热器的可靠接触。

  所有这些原材料都是我们生产过程中必不可少的。开始是芯片和陶瓷基片的焊接。随后将芯片进行钢丝粘结,焊接到底板上。然后,将外壳粘接在一起,并进行进一步的电线粘接。然后是使用凝胶进行固化,最后一步是安装顶盖。所有模块必须通过电气测试和最终的外观检查,然后才能打包和发货。

  接下来是什么?我们正在开发ST-Type模块,它看起来很新,有一个新的内部设计,是的,这个优点带来了主要好处。与我们的竞争对手相比,其额定值高出25%。它可以提供更好的同等热阻、结温、内部杂散电感以及低内部阻抗,同时,也保留了我们主要竞争对手的爬电距离和电气间隙。

  这些优势纯粹基于设计和构造,并且可以直接转化为客户收益:最低热阻,意味着更好的冷却;更低的工作温度,因此有着更好的可靠性(或者更多的功率输出,以便达到标准的可靠性)。最低的内部杂散电感意味着更快的开关,从而降低损失,或者降低开关中的过冲电压,减少振荡敏感性。这就使得该模块适用于碳化硅(SiC)的使用。最后,在600A的导通下,将内部接触阻抗引起的压降减少近一半。因为最有效的面积利用,我们可以提供与ED-Type封装相同的额定电流。因此,在同类产品中表现最佳。

  这个模块目前正在开发当中,在右下方,您可以看到一张初始照片。



  在我们成为电动汽车半导体供应商的使命中,我们遵循着以下两个模块概念:成型IGBT模块。这一模块提供了卓越的抗环境冲击保护,非常模块化及紧凑的设计,最低的连接损耗,适用于SiC芯片。但是,这个模块还不是一个得到广泛普及的标准。

  在另一侧,您可以看到经典的电动车模块,带有针脚底板。其优点是极其有效的冷却性能,一个模块有三相,紧凑的外壳,并且,对了,这个模块可以和我们的嘉善首条装配线兼容。需要提及的一些缺点有:密封冷却器接口,更高的连接电阻,更不环保。但是,虽然我们不知道什么可以赢得大多数客户的青睐,但我们会准备好并同时掌握两种技术。最后,也是很重要的一点,就是我们的产品路线图。在第四季度,ED-Type模块会和我们的i20芯片组一起完成最后的可靠性试验。

  晚一些,我们将能够提供同样电流等级的ST-Type模块。我们的ED-Type模块采用标准封装。在我们推出1200V芯片组的同时,1750V芯片组的开发也正在进行着,这会让我们可以在2022年底前就向我们的工业客户提供全电压等级的产品。

  不久之后,预计我们的精细沟槽技术会向微沟槽技术进行升级。这会让模块性能达到900A。我们正在对碳化硅芯片进行调研,到2024年,我们计划向我们的封装提供芯片组。我们致力于建立工业和电动车市场所需的所有东西,而在这一使命中,我们必须尽快管理市场进入,并在嘉善显示大批量的生产。

  我们面前摆着很多让人兴奋的工作,我们也期待着与我们的供应商、合作伙伴、客户以及投资者进行密切并富有成效的合作。我们的IGBT初始芯片组开发目前正在进行当中,其性能优于同类型的竞争器件。我们的IGBT坚固耐用,且可控性强。三个主要的模块产品系列目前也正在开发当中,为客户提供主要利益。

  在我们庆祝奠基仪式的13个月之后,赛晶参加PSIC会议,并邀请大家参观我们新建成的工厂。现在,我们拥有领先的工厂这一梦想正在逐步成为现实——一个为工业和电动汽车领域而打造的大批量产品制造工厂。
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