使用SiC功率半导体设计车载逆变器,会使未来汽车热设计有趣

2018-10-14 16:01:38 Westpac Electronics

新材料的出现使制造业发生了巨大变化。 这种“法则”在支持汽车电气化,燃油经济性和智能的汽车设备中变得引人注目。 随着汽车设备变得更小和更轻,热设计变得更加困难。 新材料有可能导致这个问题。 另一方面,要掌握新材料需要克服一些障碍。 这就是为什么“未来车载设备的散热设计很有趣”是DENSO电子基础设施技术部门的责任,该部门在“工程师学校”举办了“汽车电子设备高温和散热设计案例研究”讲座 主任Yamahiro Kamiya先生。 我听说过未来车载设备所需的散热设计。

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デンソー 電子基盤技術統括部 担当部長 神谷 有弘 氏

它是最引人注目的,并且从现在开始将发展成为碳化硅(SiC)功率半导体(SiC功率半导体)。它是变频器和变流器等功率变换器的心脏装置。


由于与现有的硅(Si)功率半导体(以下称为Si功率半导体)相比,有可能实现效率的显着提高和小型化,因此期望得到扩展。除了将燃料带到汽车的低油耗值之外,它还具有增强车身可安装性的优点。尽管它已经开始在列车逆变器等的一部分中投入实际使用,但是现在将作为车载装置进行全面商业化。其中一个挑战是热设计。


SiC功率半导体具有高耐热性,即使在250至300°C的高温下也可以工作。如果它可以在这种高温环境中使用,它可以使用逆变器和转换器简化车载部件的散热设计。


例如,在具有发动机和电动机等的驱动源的丰田混合动力车辆(HEV)“Prius”等的情况下,目前它具有两个冷却系统。它是冷却温度为110℃的发动机冷却系统和冷却温度为65℃的PCU(功率控制单元,逆变器+升压转换器)的冷却系统。我正在使用Si功率半导体用于当前的PCU。如果可以用SiC功率半导体代替,则可以使发动机和PCU的冷却系统通用,并且可以消除65℃的冷却系统。更进一步,可以将PCU从水冷改为空冷。

SiC功率半导体大大改变了车载设备的设计,不是吗?


神谷先生:作为一个方向,它当然是。然而,它是否能够按原样完成是另一回事。热设计对于实际使用SiC功率半导体非常重要。但是,包括材料和结构设计在内的方法是必要的。


例如,假设您想要在250°C下移动SiC功率半导体。然而,SiC功率半导体不能单独发挥作用。通常,功率器件的结构是半导体芯片,散热器,绝缘板的多层结构。因此,存在连接这些层的问题。我们需要的是连接材料。


Si功率半导体使用焊料,但焊料不能在250℃的高温下使用。此外,我们可以看到使用烧结金属连接材料的流程。有两个目标。一种是将其用作可用于SiC功率半导体的高温连接材料。另一种是将其用作低温连接的材料,尽可能不使用热量,从而实现Eco-Factory。


然而,尚未确定使用SiC功率半导体的功率器件的接合材料应该使用什么材料。尚未发现用于替代焊料的合适材料。


此外,在汽车的情况下,它还必须在-40℃的极低温度下运行。如果上限升高到250°C,温度变化(ΔT)接近300°C,可以承受SiC功率半导体。迄今为止,由于大温度循环而能够承受热应力的材料是必要的。基于此,您会发现具有可靠性的热设计非常重要。


此外,我们必须考虑连接材料中的引线键合材料。 SiC功率半导体的特征在于即使它很小也能够流过大电流。然而,目前的铝(Al)引线键合不适用于SiC功率半导体,因为Al电流容量低。首先,如果超过150℃,铝线会变质。因此,提出了使用铜(Cu)的方法。然而,还存在如何在那里连接Cu和半导体芯片的问题。无论我们走多远,关于如何处理连接材料的问题依然存在。


由于采用SiC功率半导体作为列车逆变器,因此即使在其中的汽车中它也将被投入实际使用。


Kamiya先生:为了提高功率转换效率,宽带间隙半导体不仅需要用于汽车,还需要用于电力电子领域。我认为SiC半导体和氮化镓(GaN)半导体将成为未来的主流。实际上,在学术上有一个实用的发展故事。


然而,目前尚未完成解决大规模生产的工业生产问题的故事。例如,SiC功率半导体已经通过列车投入实际使用,但是在列车的情况下,可以通过定期维护来替换它们。相反,在汽车的情况下,使用寿命(使用寿命)长,因此温度变化和温度循环次数完全不同。此外,产量也是数量级。 SiC功率半导体在汽车中的实际应用是非常高的障碍。



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