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《【CES Transactions on Electrical Machines and Systems】电动汽车电机驱动用碳化硅功率模块的热设计研究》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2024-11-07

  • 最近的一项研究调查了用于电动汽车电机驱动的碳化硅（SiC）功率模块的热设计，重点是优化pin结构的布局以提高热性能。这项工作探讨了不规则排列的Pinfins对减少功率模块内的热阻和温差的影响。

    研究还介绍了一种包括直流母线电容器和电机在内的协同散热设计策略，旨在改善整体散热。 该论文为电动汽车应用中的热管理提供了重要的见解和优化方法，从而为高功率密度电机驱动器的开发做出了贡献。 该研究发表在 CES Transactions on Electrical Machines and Systems 期刊上。 论文回顾了电动汽车电机驱动器中使用的碳化硅（SiC）功率模块的热设计，强调了优化不规则排列的 Pinfin 结构所面临的挑战和取得的进展。 作者强调，目前的热设计实践严重依赖经验知识，这限制了功率模块的性能。 该研究探讨了不规则 Pinfin 布局如何通过减少热阻和尽量缩小芯片之间的温差来提高热特性。 论文概述了一种两步优化方法：首先，使用算法生成独特的不规则 Pinfin 布局，以提高设计质量；其次，有效评估这些布局，以确保仿真精度和速度。 作者还提出了涉及直流母线电容器和电机的协同散热设计，以提高整体散热效果。

    主要研究结果表明，与常规布局相比，不规则的 Pinfin 布局可显著提高传热效率并降低压降。 论文强调需要创新的冷却解决方案和先进的建模技术，以解决电动汽车应用中复杂的热动力学问题。 希望未来能完成 Pinfin 布局方案的定量表示和自动生成方法、高效评估方法和协同热设计。 

    未来电动汽车电源模块热管理的优化可能涉及创新设计、实用制造工艺和经济可行性之间的平衡，主要设计目标是降低外壳热阻和减少芯片之间的温差。 未来，在电动汽车技术对效率和性能不懈追求的推动下，这些优化很可能会变得更加透明和标准化，从而使行业应用和竞争更加广泛。

    原文链接：: Puqi Ning et al, Review of Thermal Design of SiC Power Module for Motor Drive in Electrical Vehicle Application, CES Transactions on Electrical Machines and Systems (2024). DOI: 10.30941/CESTEMS.2024.00041

  • 原文来源：https://techxplore.com/news/2024-11-thermal-silicon-carbide-power-modules.html
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  • 《功率半导体持续进化：碳化硅材料快速增长，汽车缺芯问题存在误解》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-04-20
    • 功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，通过利用半导体的单向导电性实现电源开关和电力转换。大部分情况下，电能往往无法直接使用，需由功率半导体器件进行功率变换以后才能供设备使用。 目前，国内生产功率半导体的企业包括士兰微（600460.SH）和斯达半导（603290.SH）等。士兰微董事会秘书办人士于4月14日告诉记者，从普通的家电到高铁都会用到功率半导体，不同产品应用的功率范围不一样。目前功率半导体的主要发展趋势之一是耐压越来越大。 斯达半导在4月9日发布的2021年年报中表示，随着世界各国对节能减排的需求越来越迫切，功率半导体器件已从传统的工业控制和4C(通信、计算机、消费电子、汽车)领域迈向新能源、新能源汽车、轨道交通、智能电网、变频家电等诸多产业。功率半导体的发展使得变频设备广泛的应用于日常的消费，促进了清洁能源、电力终端消费、以及终端消费电子的产品发展。 近年来，汽车产业频频传出“缺芯”的问题。而上述士兰微人士认为，汽车“缺芯”的问题存在误解。某些环节的芯片在某些时候会出现短暂的供不应求，不过这个问题被放大了。 士兰微2021年年报信息显示，该公司2021年营业收入为71.94亿元，同比增长68.07%；归属于上市公司股东的净利润为15.18亿元，同比增长2145.25%。而根据斯达半导的年报，该公司2021年营业收入约为17.07亿元，同比增长77.22%；归属于上市公司股东的净3.98亿元，同比增长120.49%。 IGBT成为代表性产品碳化硅材料快速增长 上述士兰微人士告诉记者，功率半导体的功能可以理解为主要用于调节电压电流。功率半导体应用于不同的电子器件，包括从普通的家电到高铁等。不同器件的功率范围不一样，而应用于家电的和用于高铁的属于不同的级别。 斯达半导也在年报中介绍称，功率半导体主要用于电力设备的电能变换和电路控制，是进行电能处理的核心器件，是弱电控制与强电运行间的桥梁,细分产品主要有MOSFET、IGBT、BJT等。（MOSFET：金属氧化层半导体场效晶体管，是高输入阻抗、电压控制器件；BJT：双极型晶体管，是低输入阻抗、电流控制器件；IGBT：绝缘栅双极型晶体管，是由BJT和MOSFET组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件） 斯达半导表示，IGBT是目前发展最快的功率半导体器件之一。受益于工业控制、新能源、新能源汽车等领域的需求大幅增加，中国IGBT市场规模将持续增长。到2025年，预计中国IGBT市场规模将达到522亿人民币，年复合增长率达19.11%，是细分市场中发展最快的半导体功率器件。2021年，IGBT模块的销售收入占斯达半导主营业务收入的94%以上，是公司的主要产品。 士兰微人士向记者介绍称，从形态上来看，功率半导体有芯片和模块两种形态，模块是多个芯片和电子器件形成的组合。比如，IGBT是电源的辅助装置，功耗往往都比较高，用于分配调节电压电流。在新能源汽车中，每个电驱会用到一个IGBT模块。 斯达半导则表示，IGBT作为一种新型功率半导体器件，是国际上公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品，是工业控制及自动化领域的核心元器件。其作用类似于人类的心脏，能够根据装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的。因此，IGBT被称为电力电子行业里的“CPU”，广泛应用于新能源、新能源汽车、电机节能、轨道交通、智能电网、航空航天、家用电器、汽车电子等领域。 功率半导体还应用于光伏的逆变器，光伏逆变器的主要功能为将太阳能电池组件产生的直流电转化为交流电，并入电网或供负载使用。安信证券分析师马良在近日的研报中称，IGBT广泛应用于光伏逆变器中，占逆变器价值量的20%-30%。以往光伏逆变器中的功率器件一般采用MOSFET，而MOSFET的通态电阻会随着电压的升高而增大，增加开关损耗，逐渐不适合使用于高压大容量的系统中。IGBT因其通态电流大、耐高压、电压驱动等优良特性，在中、高压容量的系统中更具优势，目前已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。 功率半导体的材料也在发生变化。根据斯达半导的介绍，近年来，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等材料为代表的化合物半导体因其宽禁带、高临界击穿电场等优异的性能而备受关注。其中碳化硅功率器件受下游新能源汽车等行业需求拉动，市场规模增长快速。（记者注：禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，反映了半导体中价电子被束缚强弱程度的一个物理量） 根据马良的介绍，碳化硅材料热导率以及禁带宽度高于硅材料，采用碳化硅器件可减小逆变器的体积和重量。碳化硅的导热率是硅的3.3倍，且禁带宽度为硅的3倍，保证碳化硅可以在更高温度环境下工作。半导体材料的禁带宽度决定其器件的工作温度，材料禁带宽度的值越大，器件的工作温度也就越高。在高达600摄氏度的温度下，碳化硅器件仍然可以正常工作。硅在175摄氏度左右就无法正常运行，在200摄氏度时会变成导体，而碳化硅直到1000摄氏度左右才发生这种情况。 斯达半导表示，2021年该公司在机车牵引辅助供电系统、新能源汽车行业、光伏行业推出的各类碳化硅模块得到进一步的推广应用。士兰微也表示，该公司碳化硅功率器件的中试线已在2021年上半年实现通线。目前，该公司已完成车规级SiC-MOSFET器件的研发，正在做全面的可靠性评估，将要送客户评价并开始量产。士兰微目前在厦门公司建设一条6英寸碳化硅功率器件芯片生产线，预计在2022年三季度实现通线。 缺芯问题被误解？相关产品研发生产扩张中 自去年以来，汽车产业频繁出现“缺芯”消息。而上述士兰微人士却向记者表示，大家对汽车缺芯的问题可能有些误解。 该人士认为，芯片分为很多种类，不同的芯片用于不同的场景和环节。可能某些环节的芯片在某些时候会出现短暂的供不应求，不过这个问题被放大了。而且功率半导体的产线比较复杂，和普通产品的产线不同，每年产能并不是固定的。 “整个芯片产业有上万亿元，首先要搞清楚缺的是什么‘芯’。只是泛泛地用‘缺芯’这样一个词语来形容目前汽车芯片产业的状况其实没有意义。”该人士表示。 关于功率半导体的产线，斯达半导在年报中称，生产环节主要分为芯片和模块设计、芯片外协制造、模块生产三个阶段。比如，在芯片和模块设计阶段，公司完成IGBT等功率芯片和功率模块的设计；在芯片外协制造阶段，公司根据阶段一完成的芯片设计方案委托第三方晶圆代工厂制造自主研发的芯片，公司在外协制造过程中提供芯片设计图纸和工艺制作流程，不承担芯片制造环节；在模块生产阶段，公司将单个或多个功率芯片用先进的封装技术封装在一个绝缘外壳内。 而相比之下，士兰微采用的是“设计制造一体”(IDM)的经营模式。士兰微在年报中表示，作为IDM公司，该公司带有资产相对偏重的特征，在外部经济周期变化的压力下，也会在一定程度上承受经营利润波动的压力。但是相对于轻资产型的设计公司，该公司在特色工艺和产品的研发上具有更突出的竞争优势，实现了特色工艺技术与产品研发的紧密互动，以及集成电路、功率器件、功率模块、微机电控制系统传感器、光电器件和化合物芯片的协同发展。 根据斯达半导的年报，2021年该公司生产的应用于主电机控制器的车规级IGBT模块合计配套超过60万辆新能源汽车，其中A级及以上车型配套超过15万辆。同时，该公司的车用空调、充电桩、电子助力转向等半导体器件份额也有所提高。 “2021年公司生产的应用于主电机控制器的车规级IGBT模块开始大批量配套海外市场，预计2022年海外市场份额将会进一步提高。”斯达半导表示。 上述士兰微人士告诉记者，功率半导体的主要发展趋势之一是耐压越来越高。斯达半导也在年报中表示，2021年该公司在650V、750V以及1200V车规级IGBT的研发生产上均有突破。士兰微在年报中亦表示，2021年该公司自主研发的第五代IGBT和FRD芯片的电动汽车主电机驱动模块，已在国内多家客户通过测试，并已在部分客户批量供货。目前公司正在加快汽车级和工业级功率模块产能的建设。（记者注：FRD指快恢复二极管，是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管） 根据士兰微的年报，2021年该公司分立器件（具有单独功能且功能不能拆分的电子器件，功率半导体属于分立器件的一类）产品的营业收入为38.13亿元，较上年增长73.08%。分立器件产品中，MOSFET、IGBT、IGBT大功率模块、肖特基管、稳压管、开关管、TVS管（瞬态二极管）、快恢复管等产品的增长较快。 除了新能源汽车、光伏领域之外，功率半导体还广泛应用于家电中，比如IPM(智能功率模块)。士兰微介绍称，2021年公司IPM模块的营业收入突破8.6亿元人民币，较上年增长100%以上。目前，该公司IPM模块已广泛应用到下游家电及工业客户的变频产品上，包括空调、冰箱、洗衣机，油烟机、吊扇、家用风扇、工业风扇、水泵、电梯门机、缝纫机、电动工具，工业变频器等。2021年国内多家主流的白色家电整机厂商在变频空调等家电上使用了超过3800万颗士兰微的IPM模块，较上年增加110%。
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  • 《安森美半导体推出用于电动汽车充电器的SiC MOSFET 模块》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：Lightfeng
    • 发布时间：2021-06-11
    • 安森美半导体为推出了一款1200V SiC MOSFET 2-PACK 模块，可用于电动汽车充电器。EC充电桩功率需要需要超过 350 kW，标准效率为95%。 全新1200V M1全碳化硅MOSFET 2-PACK模块基于平面技术打造，适用于18-20 V范围内的驱动电压，易于使用负栅极电压驱动。与沟槽 MOSFET 相比，较大的芯片可降低热阻，可以在相同的工作温度下降低芯片温度。 NXH010P120MNF 配置为2-PACK 半桥结构，是采用F1封装的10 mohm器件，而 NXH006P120MNF2 是采用 F2 封装的6 mohm 器件。这些封装具有压配合引脚，适用于工业应用，并且嵌入式负温度系数（NTC）热敏电阻有助于温度监控。 作为安森美半导体电动汽车充电生态系统的一部分，新型SiC MOSFET 模块旨在驱动器解决方案一起使用，如NCD5700x 器件。最近推出的NCD57252双通道隔离式 IGBT/MOSFET 栅极驱动器提供 5 kV 电流隔离，可配置为双低侧、双高侧或半桥操作。 NCD57252采用小型 SOIC-16 宽体封装，接受逻辑电平输入（3.3 V、5 V 和 15 V）。由于典型传播延迟为60ns，大电流器件适用于高速操作。 安森美半导体的碳化硅MOSFET与全新模块和栅极驱动器形成互补，与类似的硅器件相比，该器件具有更优良的开关性能和散热性能，从而提高效率、提高功率密度、改善电磁干扰（EMI）并减小系统尺寸和重量。 最近发布的 650 V 碳化硅 MOSFET 采用新颖的有源单元设计，结合先进的薄晶圆技术，为（RDS(on)*area）提供一流的品质因数（FoM）。NVBG015N065SC1、NTBG015N065SC1、NVH4L015N065SC1 和 NTH4L015N065SC等系列器件为D2PAK7L / TO247 封装的 MOSFET 提供市场上最低的 RDS(on)。 1200 V 和 900 V N 沟道 SiC MOSFET 小芯片尺寸较小，可降低器件电容和栅极电荷，当在电动汽车充电器要求的高频下运行时，可以降低开关损耗。
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