撰文 / 李勇    编审 / 吴晰

800V系统相对传统的400V系统,涉及到的是整个高压系统几乎所有零部件的全部更新换代,本期我们来谈谈800V对电控系统带来的改变

01.

电控初识
我们总说的这个电驱总成到底是哪方面总成呢?其实严格来说电驱总成是由驱动电机总成(由定子组件和结构组件构成)、控制器总成(基于功率半导体的硬件及软件设计,对驱动电机的工作状态进行实时控制,并持续丰富其他控制功能由功率组件和控制软件加传感器构成)、传动总成(减速器、半轴、齿轮组)三大总成。
其中的控制器总成也就相当于我们所说的电控其硬件主要是功率器件,其结构主要由控制板(接受整车控制器的信号指令,运行电机控制算法,发出控制指令给功率板)、功率板(接受控制板指令,频繁通断 IGBT/MOSFET,控制电机转动)、壳体等组成。

▲电控结构图
一般的电机控制器最少具备两对高压接口。一对输入接口,用于连接动力电池包高压接口;另外一对是高压输出接口,连接电机,提供控制电源。
一个低压接头,所有通讯、传感器、低压电源等等都要通过这个低压接头引出,连接到整车控制器和动力电池管理系统。
逆变器主要功能是把动力电池放出的直流电(DC)变为交流电(AC),这个过程也称之为逆变,然后让驱动电机工作,电机再将获得的电能转换成机械能,通过传动系统让汽车的轮子跑起来,相反,把车轮的机械能转换存储到电池的过程就是动能回收。
那到底是怎么跑、怎么变速、何时刹车的呢?电机控制器作为一部特定功能的逆变器,它利用电力电子技术中的调压调频技术,将动力电池中存储的直流电,调制成控制电机所需的矩形波或者正玄波交流电,改变输出电力的电压、电流幅值或者频率,进而改变电机转速、转矩,达到控制整车速度、加速度的目的。

02.

800V架构下材料方面的改变
其中电控逆变器的核心模块:IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是整个电控系统的关键,其成本可以占到整个电控系统的50%。
目前随着整车平台电压提高,IGBT的开关损耗会进一步加大,因此目前更低导通损耗的SiC在高压平台上应用的越来越广,目前车规级SiC的国产化也是如火如荼的进行,随着SiC价格下降以及相关工艺成熟,SiC取代硅基IGBT是不可逆的趋势,尤其是在800V充电架构之下,硅基IGBT已接近性能极限,很难满足主驱逆变器的技术需求。
800V架构下电驱动系统效率就显得及其重要。要提高效率,就必须减少功率的损耗,要高效使用更高的电压,需要更高效的开关技术, SiC MOSFET 成为不二选择。
SiC 优异的材料特性是适合更高系统电压的关键所在。
在 SiC 材料中,通过增加压摆率 dv/dt 可以降低开关损耗。与硅相比,该技术具有更大的潜力,因为换相电路中较高的转频率和可调整的杂散电感降低了功率损耗。这就需要优化栅极源电路中的杂散电感。由于换相电路中极低的杂散电感的实现成本相对较高,因此在系统级上定义平衡的 dv/dt是优化的一部分。
此外SiC材料拥有更高的临界雪崩击穿场强(3×106V/cm)临界雪崩击穿场越强,则可以提升器件的耐压性能。
更好的导热性能(49W/mK)导热性能越好,则电流密度就越高。
更宽的禁带(3.26eV)禁带越宽,漏电流也就越小,效率也越高。

此外,SiC器件相比IGBT还有几方面的优势:

 开关损耗更小,SiC的禁带宽度是IGBT的3倍;

 体积更小,减小薄膜电容、磁性元件的容量及体积,比IGBT体积缩小70-80%;

 更耐高温,SiC器件的工作温度可以达到600°C,远高于 IGBT 的 300 °C,但受制于封装材料限制,目前工作温度限制在 175°C 。
SiC 更高的工作电压,非常适合 800V 及以上电驱动系统。

03.

SiC功率器件的成本为什么处于高位?
在生产工艺上,SiC的长晶时间更长,大约是Si的2.3倍;生产工艺更难,SiC有200多种同质异构体,由于需要在高温2300℃以上,压力350MPa,全程暗箱进行,易混入杂质,良率低于硅基。
目前碳化硅晶圆主要是 6 吋,而用于功率器件的硅晶圆以 8 吋为主,直径越大,良率越低,且无法实时监控,废品率极高。但现在碳化硅从6英寸向8英寸扩径的行业趋势也是非常明确的。

▲碳化硅主要采用物理气相输运法(PVT,也称为改良的Lely法或籽晶升华法),高温化学气相沉积法(HTCVD)作为补充。
除了SiC晶体生长外,后端工艺流程仍面临较大困难:切割难度大:碳化硅硬度与金刚石接近,切割、研磨、抛光技术难度大。
仅切割损耗便接近衬底成片厚度(350μm) 的 50%~70%,是导致晶锭出片数较低的原因之一。
碳化硅性质偏硬、脆,断裂韧性较低,在研磨抛过程中易开裂或留下损伤,这要求在切割衬底的时候需要预留更多的研磨抛损耗,这进一步降低了晶锭的出片率。
价格处于高位,生产难度大及良品率低使然。

03.

800V架构下工艺方面的改变
主流的碳化硅模块仍然还是借用硅基的HPD封装设计,导致 SiC 特性无法完全发挥出来。
先来说说几种主流的封装模式:
分立器件封装,有单面水冷和双面水冷,器件寄生参数较小,满足不同功率等级电控开发,易平台化设计,但结构设计比较复杂(以Tesla为代表)。
半桥,有单面水冷和双面水冷,寄生电感介于全桥和分立器件封装之间,水道设计相较于分立器件简单,可通过的并联的方式平台化开发(部分国际Tier1技术)。
全桥,大多Pin-Fin散热,寄生电感大,热阻大,水道设计简单,可扩展型不如分立器件和半桥封装,但易于开发(国内主流技术)。
Pin-Fin设计直接散热底板,显著提高功率模块散热效率,提高模块的功率密度,再加上模块化设计简单,很快在汽车领域风靡开来
其中封装结构主要是维持更高的功率密度和工作温度,方法包括直接基板冷却、带式键合、直接引线键合、铜带键合、银或铜烧结管芯连接膏、集成散热器、TIM去除、油冷却、双面冷却等。
800V架构下管芯键合材料是一个明显的痛点,因为更高的温度和对Pb材料的禁令将市场引向了Ag和Cu烧结材料,所以衍生出了现在的银烧结方案,这项技术也是被认为是一项非常有前途的技术。
银烧结技术是一种对微米级及以下的银颗粒在300℃以下进行烧结,通过原子间的扩散从而实现良好连接的技术。所用的烧结材料的基本成分是银颗粒,根据状态不同,烧结材料一般为银浆(银膏)、银膜,对应的工艺也不同。
耐高温、可靠性高导热性好,还能更薄,芯片到陶瓷基板、模块到散热片之间的两次银烧结,还可以大幅减低热阻,可以媲美现有的双面水冷方案,也利于水冷设计。
银烧结技术虽然走的更快,但银膏贵,如果在成本上控制不住,收益也不明显。

04.

One more thing
800V架构下,功率器件不仅需要耐高压、耐高温、高效节能的SiC MOSFET,硬件设计上,还需要重点考虑杂散电感、关断过程的电压尖峰。

▲英搏尔测试

从开关波形对比可以看出:

 SiC 开关速度快, dV/dt 很大, EMC 性能较差;

 SiC 开关速度快,对主回路及控制回路的引线电感非常敏感, L*di/dt 值较大 ,电压尖峰高,震荡严重;

 SiC 开关速度快,对大功率并联应用的难度更高,开通关断时的动态均流难度大。
当前主流 Si-IGBT 驱动频率大都在 30kHz 以下, SiC 应用的高频化对驱动延迟、最小脉宽、共模拟制比等提出更高的要求,现有的主流方案难以满足,需要全新搭建驱动架构,开发 SiC 专用高频驱动电路。
SiC 芯片与 Si 芯片相比,面积变得更小,单颗芯片的耗散功率耐受能力降低,需要快的保护响应速度,相应电路的设计难度较大。
SiC 与 Si 不同,门级可耐受电压区间收窄,其中驱动正压幅值直接影响到控制器导通损耗。所以需要安全的门级电压范围内,提高电压精度、降低驱动电压波动,保证驱动的安全和效率。
总之,在硬件层面上,优化电控效率的方法确实不太多,未来还有很长的路要走。

· END ·



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