SiC功率模块技术及系统集成

团队负责人:张浩

职务/职称

◆新型第三代宽禁带半导体功率模块技术与系统集成工程中心的执行主任
◆SiC功率模块技术团队负责人

研究方向

基于宽禁带半导体器件的功率模块封装技术及系统集成, 针对高温、高频、高压应用的热管理设计及封装设计以达成高功率密度及抗强振动的结构设计。

学习/工作经历

◆2014年博士毕业于美国阿肯色大学费耶特维尔校区电子工程系
◆2017年回国后担任江苏芯澄半导体有限公司总经理
◆2020年加入松山湖材料实验室

团队成员

刘正、RYSUKHINA ALINA、FAIZAN AHMAD、孙璇、赖健聪,、丁宇鹏、傅晨洁,、程宗祥

团队简介

项目介绍
新型第三代宽禁带半导体器件SiC具有耐高温、耐高压、可高频工作等优良的器件属性, 但是由于目前落后的封装技术,这些优良的器件性能并未得到充分体现。 鉴于此背景,本项目旨在开发创新的功率模块封装技术及工艺,并从系统优化的角度出发,将宽禁带器件本身优良的性能充分发挥出来,充分体现宽禁带功率模块的高温、高频、高压以及高效率的工作特性,实现功率模块产品及逆变器/变换器系统的小型化和轻量化,同时降低成本,加速宽禁带器件在市场上的推广和应用。

图一(a)   功率半导体模块示意图

图一(b)  硅基功率模块在汽车上的应用实例

 

图二   变换器/逆变器系统分解图

图三   5kW SiC对比Si基逆变器的优势

 

 

项目意义

(1)通过本项目的实施,可以开发出适宜于宽禁带器件的某些创新封装技术,填补国内在宽禁带功率半导体模块创新封装领域的技术空白,帮助展示宽禁带器件本身的优良的器件性能;

(2)在项目进展过程中,可以培养并引进一批在功率半导体领域,尤其是第三代宽禁带功率半导体领域的关键技术高端人才,同时帮助并培养国内的原材料供应商进行产业升级;

(3)本项目在实施过程中,可以与当地高校及海内外其他相关机构进行产学研合作, 搭建企业与高校合作研发的桥梁;

(4)本项目的成功完成可以帮助在落户区域建设一个第三代宽禁带半导体产业生态链群,增加就业,提升经济。

 

 

潜在市场

宽禁带功率模块的应用市场非常广泛,包括但不限于以下方面:

  • EV/HEV
  • 充电桩
  • 快充(如电动车快充,民航机快充,船舶快充等)
  • PV
  • 工业驱动应用
  • 风力发电
  • 高端应用:如轨道交通,高铁, 数据中心(云计算),电动飞机,电动船舶等。

 

图四   Power Device positioning as function of power & frequency(source:Yole)

图五   WBG market segmentation as a function of voltage range(source: Yole)

图六 SiC功率模块在充电设施上的应用

 

研究方向

(一)高温封装技术

目前电力电子器件的最高结温定在175℃,碳化硅功率器件由于其本身材料特性的缘故,在高温应用方面有很大潜力。高温封装的目的在于实现高结温运行或在高温环境下的系统正常运行。

碳化硅功率器件相较于硅基器件在高温运行的优势主要为:(1)碳化硅材料本身有较高的热导率;(2)碳化硅器件有较低的导通电阻,且其导通电阻随着温度的变化不明显(硅基器件导通电阻与温度有较为明显的正向关系)。

因此,当使用高温碳化硅功率模块并配合适当的热管理设计, 高温运行才有可能实现。高温运行在系统设计上的影响主要表现为:(1)可推高器件的开关频率,大大减小系统中磁性元件的体积和重量,从而实现整体系统的小型化和轻量化,降低成本。(2)高温运行能力可以降级系统的热管理设计,从而进一步减轻系统的重量和成本,且可能提升系统可靠性。

图七   Physical comparison between a 20 kHz and 100 kHz power inductor rated for 5 kW

高温运行的负面影响为:可推高系统内的环境温度,因此合理的隔热设计成为保证系统正常运行的前提条件。

综上所述,高温封装在系统设计上所带来的优势是紧凑的封装设计保证了系统的小型化和轻量化,进而提高了整个系统的功率密度及效率,同时极大化宽禁带器件的性价比。高温封装的应用场景,包括但不限于汽车引擎盖下、地热井等。

(二)超低寄生电感技术

由于传统的IGBT模块本身应用的频率不是很高,因此模块封装带来的寄生电感对器件的应用并不会产生很大影响。但是由于宽禁带功率器件有更高的切换速度,能在更高的频率下工作,而由此带来开关震荡问题、电磁兼容问题以及更高的功率损失问题。因此开发超低寄生电感的功率模块封装技术成为新型宽禁带半导体器件在高频应用场景应用的不可缺少的技术之一。

超低寄生电感的封装技术从功率模块为起点,目标为优化系统集成后的系统性能以发挥宽禁带器件的最大性价比。系统集成的优化,范围可覆盖系统电路拓扑结构、被动元件的选型、电路的电磁干扰(EMI), PCB与器件的布局集成及配套的热管理设计。