SiC助力功率半導體器件的應用結溫升高，將大大改變電力系統的設計格局

Yole Development 的市場(chǎng)調查報告表明，自硅功率半導體器件誕生以來(lái)，應用的需求一直推動(dòng)著(zhù)結溫升高，目前已達到150℃。隨著(zhù)第三代寬禁帶半導體器件（如SiC）出現以及日趨成熟和全面商業(yè)化普及，其獨特的耐高溫性能正在加速推動(dòng)結溫從目前的150℃邁向175℃，未來(lái)將進(jìn)軍200℃。借助于SiC的獨特高溫特性和低開(kāi)關(guān)損耗優(yōu)勢，這一結溫不斷提升的趨勢將大大改變電力系統的設計格局。這些典型的、面向未來(lái)的高溫、高功率密度應用，包括深度整合的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成、多電和全電飛機乃至電動(dòng)飛機、移動(dòng)儲能充電站和充電寶，以及各種液體冷卻受到嚴重限制的電力應用。

圖1 功率器件的應用結溫在不斷升高（來(lái)源于Yole Development 的市場(chǎng)研究報告）

電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力總成（電機、電控和變速箱）已走向三合一，但目前僅僅是在結構上堆疊在一起，屬于弱整合。未來(lái)在結構上，動(dòng)力總成的深度整合是必然路徑，因為，這樣可能使體積減少約三分之一，重量減少約三分之一，內耗減少約三分之一，并有可能使總成本壓縮2至4倍。然而，電控部分將與電機緊密結合，深度整合使功率密度大幅提高，高溫即是所面臨的不可回避的最大挑戰。

傳統飛機中控制尾舵、機翼、起落架等機械動(dòng)作都是靠經(jīng)典的液壓傳動(dòng)。液壓油作為液體，受環(huán)境影響很大并且維護成本很高，目前已趨向于部分或全部的電氣化，此即多電和全電飛機的概念。在飛機上采用電機替代液壓油路實(shí)現機械操作，可靠性高、可維護性強，且方便冗余備份設計。然而，最大的困境是飛機上的電機和電控不允許配備水冷，且只能依靠強制風(fēng)冷及自然冷卻，因此，實(shí)現多電或全電飛機、乃至電動(dòng)飛機的電控設計，需要率先解決的重大技術(shù)難題即是高溫。

另外，在許多應用場(chǎng)景中，半移動(dòng)式儲能充電站和全移動(dòng)式充電寶將有效地填補固定式充電的缺失，特別是隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)大規模普及，這一點(diǎn)將表現得更為明顯。然而，對于這類(lèi)移動(dòng)充電應用，水冷機構將不僅帶來(lái)額外重量和體積負擔，更重要的是它會(huì )消耗自身攜帶的存儲電能，因此，電控采用自然冷卻將是佳徑，但必須妥善處理好電控系統熱管理的問(wèn)題。

除了上述三種典型的高溫應用外，在許多特種工業(yè)應用中，液體冷卻受到嚴重限制時(shí)，電控系統將面臨同樣的高溫挑戰。耐高溫的電控技術(shù)是實(shí)現以上高溫應用的關(guān)鍵，其核心實(shí)現技術(shù)是SiC功率器件的高溫封裝技術(shù)和與之相匹配的高溫驅動(dòng)電路技術(shù)。

SiC材料及其器件結構有天生的耐高溫能力，在真空條件下甚至可耐達400至600℃的高溫。在實(shí)際應用中，為防止接觸空氣而產(chǎn)生氧化，SiC器件必須有封裝，且若要耐高溫，必須采用耐高溫的封裝。結溫150℃是業(yè)界目前的最高標準，175℃結溫等級剛剛開(kāi)始展露，有準標準化封裝可以采用，而200℃乃至更高溫的封裝對封裝材料和工藝要求十分嚴苛，而且必須根據裸片特征進(jìn)行定制設計，以保證導熱和散熱性能要求。

SiC功率器件和模塊的應用離不開(kāi)驅動(dòng)電路及其相應的芯片。然而，大多數驅動(dòng)電路芯片都是普通的硅器件，均不能耐高溫，其若能在高溫如175℃下工作1000小時(shí)，已經(jīng)是鳳毛麟角了。另外，耐高溫只是問(wèn)題的一方面，更嚴重的是高溫時(shí)器件性能的一致性問(wèn)題。普通硅器件在70℃之上性能弱化得非常之快，因此在高溫下無(wú)法應用。歷經(jīng)二十多年創(chuàng )新研發(fā)和應用考驗，Cissoid公司SOI特種硅器件已實(shí)現杰出的耐高溫能力，其在175℃時(shí)可連續工作15年之長(cháng)，且全溫度范圍內性能有極佳的一致性，是支持SiC高溫應用的支柱。

Cissoid 公司基于SOI的特種硅半導體技術(shù)，全面突破了硅半導體器件的溫度困境，明顯地規避了硅器件的溫度載流子效應（本征載流子濃度隨溫度升高而升高）和結溫效應（有效結勢壘隨溫度升高而縮減）的影響，不僅能耐高溫并長(cháng)期工作，而且可在全溫度范圍保持良好的性能一致性。因此，Cissoid 公司的高溫半導體器件長(cháng)期以來(lái)為航空航天和石油勘探領(lǐng)域所青睞，且已有近二十多年高溫應用歷史和經(jīng)驗。近年來(lái)，隨著(zhù)第三代半導體SiC功率器件的普及，Cissoid 開(kāi)發(fā)了針對SiC MOSFET的耐高溫驅動(dòng)芯片和方案。這一獨特的耐高溫性能使其得以盡可能地靠近SiC功率模塊，以使驅動(dòng)回路的寄生電感達到最小，從而更有效地抑制振鈴并實(shí)現最佳的效率。

最近，針對電動(dòng)汽車(chē)和全電/多電飛機的功率電驅動(dòng)應用，Cissoid還推出了三相全橋1200V SiC MOSFET智能功率模塊（IPM）體系，該體系是一個(gè)可擴展的平臺系列。該體系利用了低開(kāi)關(guān)損耗技術(shù)，提供了一種已整合的解決方案，即IPM。IPM是由門(mén)極驅動(dòng)電路和三相碳化硅功率模塊組成，兩者的配合已經(jīng)過(guò)優(yōu)化和協(xié)調，實(shí)現了SiC器件優(yōu)勢的充分利用。目前出品的CXT-PLA3SA12450AA模塊的額定結溫高達175°C，門(mén)極驅動(dòng)電路可以在高達125°C的環(huán)境中運行。另外，隨應用條件和場(chǎng)景的需求，通過(guò)更換更高等級的被動(dòng)元器件和主要芯片及模塊的封裝可以進(jìn)一步提升運行溫度等級。

圖2 CXT-PLA3SA12450AA三相全橋1200V/450A SiC MOSFET智能功率模塊

自硅半導體器件誕生以來(lái)，高溫應用一直是其應用之命門(mén)。Cissoid創(chuàng )新的特種SOI硅芯片技術(shù)，率先在高溫半導體分立器件和小規模集成電路上實(shí)現了重大突破。隨著(zhù)第三代半導體如SiC功率半導體器件的日趨成熟和普及，其固有的耐高溫性能與Cissoid高溫半導體器件形成了非常好的搭配，由此將大大改變電力系統設計的格局，為設計工程師提供了全新的拓展空間。