近年來，電動汽車行業正迅速崛起，成為了當今汽車市場的一個重要領域。消費者對于清潔能源和高效能源利用的關注不斷上升，以及政府對碳排放的監管加強，都推動了電動汽車的市場需求。
作者：Raffael Schnell, VP Product Management & Applications, SwissSEM Technologies
張強，賽晶亞太半導體科技（浙江）有限公司
電動(dong)汽車(che)的市場定(ding)位不(bu)僅在(zai)于(yu)其(qi)外觀和(he)(he)高性能，還在(zai)于(yu)創新和(he)(he)綠色科(ke)技的結合。這(zhe)些汽車(che)通常采用(yong)最先(xian)進(jin)的電動(dong)驅動(dong)技術(shu)，以(yi)提供卓越的性能和(he)(he)高功率輸出。同(tong)時，輕量化設計和(he)(he)材料選擇是電動(dong)汽車(che)的關鍵(jian)特點，旨在(zai)提高能源效率并延長電池續航(hang)里程(cheng)。
在這(zhe)個(ge)競爭(zheng)激烈的市場中，賽晶亞太半導體(ti)SwissSEM HEEV封(feng)裝SiC模塊成為了(le)一(yi)項重(zhong)要的技術創新。它不僅能夠(gou)滿足高功率要求，還能輕(qing)量化設計，提高系統(tong)效率。
HEEV封裝SiC模塊采用了1200V SiC MOSFET芯片，特別適(shi)用于800V高壓平臺應用。其Rds(on)僅為(wei)1.8mΩ@25℃，這(zhe)意味著它具備卓越(yue)的導通(tong)特性(xing)，使其能夠應對(dui)高達250kW的電(dian)(dian)驅(qu)動(dong)功(gong)率要求(qiu)。這(zhe)一低(di)電(dian)(dian)阻特性(xing)不僅有助于提高電(dian)(dian)動(dong)汽車的效率，還能夠降(jiang)低(di)系統能耗，為(wei)用戶帶來更高的性(xing)能和更長的續(xu)航里程(cheng)。
一、HEEV封裝SiC模塊靜態參數
賽晶目前采用了經過車規級認證的兩種(zhong)類型SiC晶圓，以下是這兩種(zhong)晶圓的靜態特性對比表格：
通過(guo)對HEEV封裝(zhuang)(zhuang)SiC模塊結構的優化，賽(sai)晶成功地與行(xing)業領先企業的同(tong)規(gui)格封裝(zhuang)(zhuang)模塊進(jin)行(xing)了比(bi)較，并取得(de)了以下三項顯(xian)著(zhu)的優勢：
① 封裝(zhuang)體積(ji)：相較于頭部企業提供的(de)(de)(de)同規格模塊(kuai)，賽(sai)晶的(de)(de)(de)封裝(zhuang)體積(ji)僅(jin)為其一半。這意味著賽(sai)晶的(de)(de)(de)封裝(zhuang)更為緊湊，有助于電動汽(qi)車(che)(che)系統的(de)(de)(de)空間(jian)利用效率，同時也(ye)可(ke)以降(jiang)低整車(che)(che)的(de)(de)(de)重量和提高搭載性能。
② 連接(jie)(jie)阻抗(kang)：賽(sai)晶的(de)(de)模(mo)塊接(jie)(jie)觸電阻（Rd+Rss）僅為(wei)0.245mΩ，而相比(bi)之下，頭(tou)部(bu)企業的(de)(de)模(mo)塊的(de)(de)連接(jie)(jie)阻抗(kang)為(wei)0.5mΩ。這意(yi)味著賽(sai)晶的(de)(de)模(mo)塊在電流(liu)傳輸方面表現(xian)更加(jia)出色，減少(shao)了(le)能(neng)量損失，提(ti)高了(le)效率。
③ 雜散電感(gan)：賽晶的(de)模(mo)塊寄生(sheng)電感(gan)僅為4.1nH，而頭部企業的(de)模(mo)塊則(ze)為6.5nH。這表示賽晶的(de)模(mo)塊在高頻應用中具有更低的(de)雜散電感(gan)，有助于降低電磁干(gan)擾并提高系統穩(wen)定性。
二(er)、HEEV封(feng)裝SiC模塊動(dong)態特性分(fen)析
開通特(te)性
HEEV封裝SiC模(mo)塊(kuai)在125℃結溫(wen)、800V母(mu)線電(dian)壓，門極電(dian)阻分(fen)別為(wei)5Ω和3Ω對應的開通暫(zan)態波形及相關(guan)數(shu)據如下圖所示(shi)，主要(yao)包含了開通電(dian)流(liu)ID、開通電(dian)流(liu)峰值IDm、開通di/dt，開通延(yan)時(shi)(shi)tdon，開通電(dian)流(liu)上升(sheng)時(shi)(shi)間tr，開通損耗Eon等關(guan)鍵(jian)數(shu)據。
關斷特性
HEEV封裝SiC模塊在125℃結溫(wen)、800V母線電(dian)壓，門極電(dian)阻分別(bie)為5Ω和(he)3Ω對(dui)應(ying)的(de)關(guan)斷(duan)暫態波形(xing)及相(xiang)關(guan)數(shu)(shu)據如(ru)下圖所示，主(zhu)要包含了關(guan)斷(duan)電(dian)流(liu)ID、關(guan)斷(duan)dv/dt，關(guan)斷(duan)延(yan)時(shi)tdoff，關(guan)斷(duan)電(dian)流(liu)下降時(shi)間tf，關(guan)斷(duan)損耗Eoff等關(guan)鍵數(shu)(shu)據。
HEEV封裝SiC模(mo)(mo)關斷2倍額定電(dian)流(liu)1500A的(de)(de)波形(xing)如下圖(tu)所示。從圖(tu)中可以觀察到，波形(xing)顯示沒有(you)(you)振蕩，而且電(dian)壓(ya)被有(you)(you)效地(di)抑制在(zai)了1200V以下。這(zhe)表明HEEV SiC模(mo)(mo)塊(kuai)在(zai)關斷時表現出了較(jiao)強的(de)(de)魯(lu)棒性和(he)(he)穩定性。這(zhe)是(shi)(shi)非(fei)常重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)，特別是(shi)(shi)在(zai)高電(dian)流(liu)和(he)(he)高壓(ya)條件下，模(mo)(mo)塊(kuai)的(de)(de)關斷特性對(dui)系統的(de)(de)安全性和(he)(he)可靠性至關重(zhong)要(yao)(yao)。
反向(xiang)恢復特性(xing)
HEEV封裝SiC模塊(kuai)內(nei)部續流(liu)二(er)極(ji)管(guan)在(zai)125℃結(jie)溫、800V母線(xian)電(dian)壓，門極(ji)電(dian)阻(zu)分別為5Ω和(he)3Ω對應的(de)反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)波(bo)形及相關(guan)數據如(ru)下圖(tu)所示，主(zhu)要(yao)包含了關(guan)斷(duan)(duan)電(dian)流(liu)ID、反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)電(dian)荷(he)Qrr、二(er)極(ji)管(guan)關(guan)斷(duan)(duan)di/dt、反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)損耗Erec、二(er)極(ji)管(guan)關(guan)斷(duan)(duan)電(dian)壓dv/dt和(he)反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)電(dian)流(liu)IRR等關(guan)鍵數據，這些數據表明HEEV SiC模塊(kuai)的(de)內(nei)部續流(liu)二(er)極(ji)管(guan)具有出色的(de)反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)特(te)(te)性，包括低反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)電(dian)荷(he)、低反(fan)向(xiang)(xiang)恢(hui)(hui)復(fu)(fu)損耗和(he)較快(kuai)的(de)二(er)極(ji)管(guan)關(guan)斷(duan)(duan)速(su)度(du)。這對于提高系統(tong)的(de)效率(lv)、降低損耗以及減少電(dian)磁(ci)干擾都非常重要(yao)，特(te)(te)別是在(zai)高溫和(he)高壓條件下。
三、HEEV封裝(zhuang)SiC模塊整(zheng)機性(xing)能
俗話說，“好馬配好鞍”。為了(le)充分發揮HEEV封裝SiC模塊的性(xing)能，賽晶特別為其設計了(le)一(yi)套水(shui)冷方(fang)案(an)，并配備了(le)安裝壓條。功率模組(zu)的3D結構如(ru)下圖所示，主要(yao)包(bao)括以下三部分：
①橋式(shi)(shi)壓板：橋式(shi)(shi)壓板是功率(lv)(lv)模組的(de)關(guan)鍵(jian)組件之一。它的(de)主要作用是將(jiang)HEEV封裝SiC模塊穩固地(di)安裝在系統中，并提供足(zu)夠的(de)機(ji)械支(zhi)持(chi)。這有助(zhu)于確保(bao)模塊在高功率(lv)(lv)操作下不會受到機(ji)械振動(dong)或沖擊的(de)影響，從而(er)保(bao)持(chi)系統的(de)穩定性。
② HEEV封(feng)裝SiC模塊(kuai)是整個功率模組(zu)的核心。它包含SiC功率器(qi)件和相關電(dian)(dian)路(lu)，負責將電(dian)(dian)能(neng)(neng)從電(dian)(dian)源(yuan)傳輸到負載，同時實現高效(xiao)的功率轉(zhuan)換。HEEV封(feng)裝SiC模塊(kuai)的性(xing)能(neng)(neng)和穩定性(xing)對(dui)整個系(xi)統的性(xing)能(neng)(neng)至(zhi)關重要。
③ 水冷散(san)熱器：水冷散(san)熱器是(shi)用于(yu)散(san)熱的(de)關(guan)鍵組件。它(ta)通(tong)過水冷卻的(de)方式將HEEV封裝SiC模(mo)塊的(de)熱量有效地散(san)發，保持模(mo)塊在適宜的(de)工作溫度范(fan)圍內。這有助于(yu)提(ti)高系統的(de)可靠性(xing)(xing)和長期穩定(ding)性(xing)(xing)，尤其是(shi)在高負載和高溫環境下。
封裝優勢
HEEV封裝(zhuang)SiC模塊采用了一系列先進的封裝(zhuang)技術和工藝，具有多項優勢，旨在提升(sheng)其(qi)性能(neng)、環境友好性和壽(shou)命：
①環境友好性(xing)：采用(yong)了壓注(zhu)封(feng)裝工藝，使其具備出色的(de)環境抵(di)抗能力。這種封(feng)裝可以有效地抵(di)御諸如空氣濕(shi)度等(deng)惡劣環境因素對模塊的(de)影響(xiang)，提高了模塊的(de)耐(nai)久性(xing)和(he)可靠性(xing)。這對于電(dian)動汽(qi)車等(deng)需要(yao)在各種氣象條件(jian)下工作(zuo)的(de)應用(yong)非常重要(yao)。
② 提升功(gong)(gong)率(lv)循(xun)環壽(shou)(shou)命(ming)：為了提高模(mo)塊的(de)功(gong)(gong)率(lv)循(xun)環壽(shou)(shou)命(ming)，采(cai)取了多項措施。去除了絕(jue)緣襯底和底板之間(jian)的(de)焊接層(ceng)，減(jian)少了熱(re)壓下的(de)熱(re)應力，有(you)助于延(yan)長(chang)模(mo)塊的(de)壽(shou)(shou)命(ming)。采(cai)用芯片銀(yin)燒結(jie)和銅線綁定等先進工藝(yi)，提高了模(mo)塊內部連接的(de)可靠性(xing)和導熱(re)性(xing)，從而進一步提高了模(mo)塊的(de)壽(shou)(shou)命(ming)。
③提升散(san)(san)(san)熱(re)(re)效率：為了(le)有(you)效散(san)(san)(san)熱(re)(re)，模(mo)塊(kuai)采用了(le)無底板直接水(shui)冷方案。這種設(she)計(ji)可以將(jiang)熱(re)(re)量迅速傳(chuan)導到散(san)(san)(san)熱(re)(re)器(qi)，并通過水(shui)冷卻(que)的(de)(de)方式將(jiang)熱(re)(re)量散(san)(san)(san)發，確(que)保(bao)模(mo)塊(kuai)在(zai)適宜的(de)(de)溫度范圍內運行。同時，采用先進(jin)的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)材料降低芯片至(zhi)散(san)(san)(san)熱(re)(re)器(qi)的(de)(de)熱(re)(re)阻，進(jin)一步(bu)提高(gao)了(le)散(san)(san)(san)熱(re)(re)效率。
出色的水(shui)冷方(fang)案
賽晶的HEEV封裝SiC模塊(kuai)水冷(leng)方案具(ju)有(you)多項優勢，旨在解決傳統(tong)水冷(leng)散熱器在多模塊(kuai)配置(zhi)中(zhong)散熱效率和模塊(kuai)溫度均(jun)衡(heng)方面存在的技(ji)術問題：
①模(mo)塊并(bing)聯(lian)式水冷散(san)熱(re)器(qi)：采用模(mo)塊并(bing)聯(lian)式水冷散(san)熱(re)器(qi)，可以將(jiang)多個(ge)HEEV模(mo)塊有效地(di)連接到同(tong)一個(ge)散(san)熱(re)系統中。這種設計提高(gao)了(le)系統整體的散(san)熱(re)效率，確保每(mei)個(ge)模(mo)塊都能(neng)獲得(de)足(zu)夠的散(san)熱(re)，避免了(le)模(mo)塊溫度不均衡的問題。
②大(da)湍流(liu)(liu)方案(an)：采用大(da)湍流(liu)(liu)方案(an)，可以在冷卻(que)液(ye)中產生更(geng)(geng)大(da)的湍流(liu)(liu)效(xiao)應，從(cong)而提高了散熱效(xiao)率(lv)。這意味著(zhu)更(geng)(geng)多的冷卻(que)液(ye)會流(liu)(liu)經模(mo)塊(kuai)，有效(xiao)地冷卻(que)模(mo)塊(kuai)的熱量，降低了模(mo)塊(kuai)溫度(du)。
③降低模(mo)(mo)塊(kuai)熱耦(ou)合(he)：通過改(gai)進(jin)水冷(leng)系統的設計，賽晶成功地降低了模(mo)(mo)塊(kuai)之間的熱耦(ou)合(he)效(xiao)應(ying)。這意味著一(yi)個模(mo)(mo)塊(kuai)的高溫不會對相鄰模(mo)(mo)塊(kuai)產生(sheng)負面影(ying)響，確保每個模(mo)(mo)塊(kuai)都能夠獨立、有效(xiao)地散熱。
4專(zhuan)(zhuan)利技(ji)術支持：賽晶申請了相關專(zhuan)(zhuan)利，為該水冷方案提供了法律保(bao)護，使(shi)其成為一項獨特的技(ji)術創新。
針對(dui)兩(liang)種(zhong)散(san)熱(re)(re)方案，賽晶進行了(le)(le)CFD仿真，并(bing)對(dui)比了(le)(le)兩(liang)種(zhong)散(san)熱(re)(re)方式的差異，可以(yi)看(kan)出在同樣流量下，并(bing)聯水冷(leng)方案相比串聯水冷(leng)方案熱(re)(re)阻(zu)更(geng)(geng)低(di)，水壓更(geng)(geng)均勻，這(zhe)為提升模(mo)塊功(gong)率密度(du)和可靠性提供了(le)(le)有力保(bao)障。
逆變器性能
基于采用(yong)HEEV封裝方案的電驅逆變(bian)器輸(shu)出(chu)功率在最大輸(shu)出(chu)功率可達250kW，輸(shu)出(chu)電流(liu)與(yu)開關頻率關系曲線如圖(tu)9所示。
電力電子領域的革命性(xing)創(chuang)新
電(dian)動(dong)汽車市場正迎來飛速發展，賽晶(jing)也正積極參與并(bing)塑造這一充滿(man)活力的領域(yu)。賽晶(jing)專注于高端功率半導體(ti)產品的研發和(he)(he)制造，其中包括(kuo)IGBT、FRD以及碳(tan)化硅(gui)等芯(xin)片(pian)和(he)(he)模(mo)塊。賽晶(jing)的研發中心位于瑞(rui)士，技術(shu)團隊由(you)來自歐(ou)洲和(he)(he)國內頂尖的IGBT設計和(he)(he)制造專家組(zu)成，擁有幾十(shi)年實(shi)踐經(jing)驗和(he)(he)卓越的業績，是功率半導體(ti)領域(yu)的領導者(zhe)之一。
賽晶的(de)(de)(de)最(zui)新創新產品，HEEV封裝SiC模塊，旨在滿足電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)市場的(de)(de)(de)高(gao)(gao)功(gong)率、輕(qing)量化和(he)高(gao)(gao)可靠性(xing)需求(qiu)(qiu)(qiu)，同時考慮了高(gao)(gao)性(xing)能馬(ma)達驅動(dong)的(de)(de)(de)應用(yong)需求(qiu)(qiu)(qiu)。這一(yi)模塊的(de)(de)(de)研(yan)發背后(hou)是賽晶不斷(duan)追求(qiu)(qiu)(qiu)卓越的(de)(de)(de)工程(cheng)和(he)科(ke)技實力的(de)(de)(de)體現(xian)，為電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)和(he)電(dian)力電(dian)子領域的(de)(de)(de)創新提(ti)供了關鍵(jian)支持。
賽晶在功率半(ban)導體領(ling)域的領(ling)導地位和技術實力，將繼續推動電(dian)動汽車(che)行業的發展，并為可持續能源和電(dian)動交通的未來做出貢獻(xian)。