SiC助力功率半导体器件的应用结温升高
发布时间：2020-12-24 11:16:19 点击次数：392
YoleDevelopment的市场研究报告显示，自硅功率半导体器件诞生以来，应用需要始终在促进结温的升高，结温已达到150℃。随着第三代宽带隙半导体的出现器件（例如SiC）以及它们的成熟度和全盘的商业化应用，其独特的耐高温性正在加快将结温从目前的150°c提升到175°c，并将进入未来的200°c。倚靠SiC独特的高温属性和低开关损耗的优势，这种结温升高的趋向将巨大地变动电力系统的设计模式。这些典型的，面向未来的高温和高功率密度应用包括集成电动汽车动力总成，多电动和全电动飞机，甚至电动飞机，移动储能充电站和移动电源，以及各种液体冷却都受到严格限制重复
图1：功率装置的应用结温度正在升高（来自YoleDevelopment的市场研究报告）
电动汽车的动力总成（电机，电子控制和变速箱）已朝着三合一的方向发展，但目前仅在构造上堆叠在一起，这是一个微弱的整合。在构造上，未来的动力总成深度整合是这是一条不可避免的途径，因为这也许使体积减少约三分之一，重量减少约三分之一，内部摩擦减少约三分之一，并也许使压缩的总成本减低2至4倍。控制部分将与电机紧密集成，深度集成将大大提高功率密度。高温是不可避免的挑战。
传统飞机对舵，尾翼，起落架等机器动作的控制倚靠经典的油压传动，液压油作为液体受到环境的影响很大，维护成本较高。它倾向于部分或全然带电。这是多电动和全电动飞机的定义，在飞机上用到马达取而代之液压油回路来实现机器操作，高可靠性，有力的可维护性和简便的冗余备用设计，但是最大的难题是不容许飞机上的电机和电子控制设备装备水冷，只能倚赖强制风冷和自然冷却。因此，首先要化解实现多电动或全电动飞机，甚至电动飞机的电子控制设计的主要技术疑问是高温。
此外，在许多应用场景中，半移动式储能充电站和所有移动电源都将有效地填补固定充电的缺乏，更是是随着电动汽车的大规模普及，这一点将越来越显著。但是，对于此类移动充电应用，水冷却部门不仅会带来额外的重量和体积承担，而且更重要的是，它将损耗自身携带的存储电能。因此，将自然冷却用以电子控制将是最好的方式，但必须正确处置。不错的电控系统热管理疑问。
除了以上三种典型的高温应用外，在许多特殊的工业应用中，当液体冷却受到严格限制时，电子控制系统将遭遇同样的高温挑战。耐高温电子控制技术是实现上述目标的关键高温应用。其基本技术是SiCpower器件的高温封装技术和配套的高温驱动电路技术。
SiC材质及其器件构造具有固有的耐高温性，即使在高达400至600℃的真空条件下也是如此。在具体应用中，为了以防由于与空气触及而氧化，SiC器件必须包装，150°c的结温是当前行业的高标准。结温为175°c才刚刚开始揭示，可以用到准标准化的封装。200°c或更高温度下的包装材料和工艺对包装材料和工艺有严格的要求，并且必须具有定制设计以保证满足热和热性能要求。
功率器件和模块的应用与驱动电路及其相应的芯片密不可分，但是大多数驱动电路芯片是一般而言的硅器件，不能承受高温。如果它们能够在175°c等高温下工作1000小时，那么它们早就很鲜见了，此外，耐高温性只是疑问的一个方面，更重要的是高温下装置性能的一致性。平常硅器件在超过70°c时会迅速衰减，因此无法在高温下采用。经过20多年的创新研发和应用测试，Cissoid公司SiC特殊硅器件早就赢得了上佳的耐高温性能。它们可以在175°c下连续工作15年，并在整个温度范围内具有平稳的性能。，是支撑SOI高温应用的支柱。
Cissoid 公司基于SOI的特殊硅半导体技术，它全然突破了硅半导体器件的温度难题，并显著避免了硅器件的温度载流子效应（本征载流子浓度随温度增加）和结温效应（有效结势垒随着温度的升高而下降），不仅可以承受高温并长时间工作，而且可以在整个温度范围内维持不错的性能一致性。因此，Cissoid 公司的高温半导体器件具有长期以来始终受到航空航天和原油勘探领域的青睐，并具有20多年的高温应用历史和经验。近年来，随着第三代半导体SiCpower器件的普及，Cissoid已发展为SiCMOSFET的耐高温驱动器芯片和解决方案。这种独特的耐高温性使其可以尽量邻近SiC功率模块，从而寄生了驱动电路的电流很小，从而更有效地抑止了振铃并实现了更高的效率。
针对电动汽车和全电动/多电动飞机的电力驱动应用，Cissoid还推出了三相全桥1200vSiCMOSFET智能功率模块（IPM）系统，这是一个可扩张的平台系列。该系统运用低开关损耗技术来提供集成解决方案，即IPM。IPM由门极驱动电路和三相碳化硅电源模块构成。两者的合作经过优化和协调，以充分利用SiCdevices的优势。目前生产的CXT-PLA3SA12450AA模块的额定结温高达175°c，并且栅极驱动电路可以工作在高达125°c的环境中。此外，根据应用条件和场景的要求，可以通过更换更高级别的无源组件以及主芯片和模块的封装来更进一步提高工作温度程度。
图2：CXT-PLA3SA12450AA三相全桥1200V/450ASiCMOSFET智能电源模块
自硅半导体器件诞生以来，高温应用始终是其应用的命脉。随着SOIpower半导体器件等第三代半导体器件的早熟和普及，它们固有的高温电阻和Cissoidhightemperaturesemiconductor器件形成了很好的匹配，这将巨大地变动电源的模式系统设计。为设计工程师提供了新的扩展空间。
