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鈞聯(lián)汽車電子李俊：SiC功率模塊關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用
發(fā)布時間： 2023-11-08
來源： NE時代新能源
轉(zhuǎn)載自NE時代：
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“碳化硅能做一些什么呢，包括體積、重量、效率的改變，帶來了什么實際好處呢？就是便宜又好，我們就講性價比，我們現(xiàn)在要做的事是把歐美的廠商打敗。不要自己卷，要向外面卷?！焙戏殊x聯(lián)汽車電子有限公司副總經(jīng)理李俊稱。
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在車上動力是核心，核心動力來自于電驅(qū)，電驅(qū)動力來自于功率模塊。碳化硅和硅本質(zhì)上沒有太大差異，只是碳化硅目前的結(jié)晶技術(shù)導(dǎo)致良率不是特別高，所以碳化硅的成本還是比較高的。碳化硅健康管理主要通過主動和被動兩種方式進行管理。主動我們就做熱管理，被動的我們就監(jiān)測它的各種電壓電流的信號。
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鈞聯(lián)在碳化硅模塊上應(yīng)用做了兩款800V的碳化硅電驅(qū)動總成，一個是250千瓦，一個是200千瓦的，速度都在20000轉(zhuǎn)，都按功能安全做的。我們把整個汽車電力電子變換都做了，MCU、OBC、DCDC、DCAC都做了，我們還做了碳化硅封裝技術(shù)的相關(guān)研究，單面水冷、雙面水冷、HPD封裝的都有。
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以下是演講實錄。
李?。焊魑恍袠I(yè)大佬下午好，我今天代表鈞聯(lián)給大家?guī)淼脑掝}討論是關(guān)于“碳化硅功率模塊關(guān)鍵技術(shù)研究和應(yīng)用”，我今天演講主要圍繞三個方面。第一，碳化硅模塊的關(guān)鍵技術(shù)。第二，碳化硅健康管理。第三，鈞聯(lián)在碳化硅模塊上的應(yīng)用做了哪些工作。
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最近大家知道碳化硅這個話題很火，美國總統(tǒng)拜登都把碳化硅材料作為中美博弈的戰(zhàn)略資源，我們也要做好作戰(zhàn)的準備。這個關(guān)鍵技術(shù)大家很清楚，在車上動力是核心，核心動力來自于電驅(qū)，電驅(qū)動力來自于功率模塊。碳化硅能做一些什么呢，包括體積、重量、效率的改變，帶來了什么實際好處呢？就是便宜又好，我們就講性價比，我們現(xiàn)在要做的事是把歐美的廠商打敗。國內(nèi)研究界、學界做了很多研究，有些資料是我們自己研究的結(jié)果。它的關(guān)鍵技術(shù)和原來的硅材料差異不大，從原材料到制成模塊最后封裝起來，做的事情也基本相當。原材料本質(zhì)上沒有太大差異，只是碳化硅目前的結(jié)晶技術(shù)導(dǎo)致的良率不是特別高，所以碳化硅的成本還是比較高的。
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?碳化硅雖然大家提了很多年，十年前我們就做了樣機的研制，碳化硅當時是14倍的硅材料的價格，我們做了樣機也研究了，但是最終沒有成。除了本身的良率問題，還有問題是碳化硅大家都沒有吃透，主要是碳化硅這個材料是不同于硅基材料的。
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?這是IGBT的模型，我們針對這個模型移植到碳化硅研究它的健康管理，一個道理，碳化硅材料的壽命和結(jié)溫最高溫度以及溫度波動關(guān)系密切。中間這張表它的溫度波動和生命周期是成指數(shù)關(guān)系的，左邊圖也很明顯，這是一個生命周期的模型。
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我們做了什么工作呢？第一，把碳化硅的機理模型建立起來，和硅基不同。第二，把它的模型拿出來，碳化硅帶來的好處主要是高頻，但是任何事情都是雙面的，高頻的結(jié)果可能就帶來了電磁干擾，DV/DT和DI/DT比較高。我們做的是多維信號測量特征值，特征值的選取也是技術(shù)研究的重點。最后我們構(gòu)建基于數(shù)字孿生的大數(shù)據(jù)健康管理平臺實現(xiàn)生命周期在線掌控和壽命預(yù)測。整個變化過程當中，車的心臟是動力單元，動力來源于電驅(qū)，而電驅(qū)的心臟就是電力電子變換器，電力電子變換器的核心就在于這些器件，通過故障分析的結(jié)果，半導(dǎo)體器件是它的故障源頭，而且這些源頭是偶然和隨機占主要的。針對這個現(xiàn)象我們就要研究碳化硅器件它的故障、生命周期，我們要用哪些手段干預(yù)它。
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?對于人來說我們現(xiàn)在有主動健身、被動吃藥的方式，芯片也有主動和被動的方式。主動我們就做熱管理，被動的我們就監(jiān)測它的各種電壓電流的信號，看看它健不健康，還能活多久?？刂破鞯膿p耗主要是導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗兩種，總損耗是這個，因為它是封裝的模塊。散熱優(yōu)化設(shè)計的時候就是把這些變量輸進去，然后通過有限元獲取參數(shù)，通過克里金算法，最后我們把優(yōu)化的數(shù)據(jù)帶入試驗?zāi)Ｐ妥鎏幚?，我們就對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化，右側(cè)是整個電機和電控系統(tǒng)散熱優(yōu)化的過程。
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剛才談到了熱，為什么要監(jiān)測溫度呢？實際上我們這個模塊環(huán)節(jié)當中最脆弱的是模塊的鍵合線，這個鍵合線因為什么而脆弱呢？
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是因為溫度反復(fù)波動。做模塊的都知道這些材料是不同的，它反復(fù)熱的膨脹率是不一樣的。我們就要對它的鍵合線進行監(jiān)控，這是被動方式，剛才講的是主動熱管理的方式。被動方式存在幾種故障，一種是綁定線脫落了，還有引線斷裂了，我們通過什么機理獲取呢？這個方法根本原理就是采集電阻和電壓等溫度敏感系數(shù)，左邊這個是半橋的模塊，是IGBT的模型，我們引用到碳化硅上也一樣。只是它的壓降和其他的參數(shù)有些不同，原理是一樣的。我們把它寄生參數(shù)都獲取了，我們在兩側(cè)檢測它的電壓。我們可以看到綁定線的地方脫落一個點，電壓會高一點，每一個溫度下曲線是不一樣的，最后我們可以監(jiān)測電壓的變化，獲取綁定線脫落的幾個點數(shù)，然后就知道它損壞的程度，評估它是否該維修了。第二個方法，檢測焊錫層，現(xiàn)在碳化硅有的是用銀燒結(jié)的方式，IGBT現(xiàn)在流行的工藝手段來說的。
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這上面是它的模型，下面是測試工具，做1300個循環(huán)，健康的結(jié)果可以看到后面是完整的，損壞大約一半的情況下是這樣的，焊錫老化是可見的。中間的過程做1300個循環(huán)，中間有些焊錫發(fā)熱點比其他地方多一些，這種方式就是我們已經(jīng)確定有一些問題的時候做的離線的方式，我們已經(jīng)把模塊從一個系統(tǒng)當中拿出來了。
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上面處理手段都是監(jiān)測，為了解決這些問題，我們對整個模塊進行技術(shù)手段去監(jiān)測它。
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這些技術(shù)手段包括加裝智能傳感器，還有借助于強大算力的MCU，我們采用FPGA做的，也可能有人會質(zhì)疑，你用英飛凌的芯片去算可以嗎？也可以。我們做一些主動的熱管理之后剩下的就是把門極驅(qū)動做一些處理，對環(huán)境因素像濕度、光照、壓力、磁力、振動這些因素也會考慮進去，最后做一個比較前面的驅(qū)動方案。另外一種手段就是對這個器件進行實時在線評估，原來損耗模型是經(jīng)過電流和ESR乘積的累計結(jié)果，建立這個模型是它的熱阻和損耗乘積再加上環(huán)境溫度，這是一個常規(guī)模型，很多工程師都會算，直接在數(shù)據(jù)手冊上都可以導(dǎo)出來。但是有一個問題，這都是常態(tài)的，你可以獲得穩(wěn)定值，動態(tài)的不容易評估，還有累計的結(jié)果并不是這樣的。累計結(jié)果不一樣體現(xiàn)在什么地方？一個是ESR會變，中間這幅圖就可以看到ESR經(jīng)過長時間累計會變大，它的壽命模型我們是要改進的，應(yīng)該和前面幾個熱模型的關(guān)系是關(guān)聯(lián)的，呈指數(shù)關(guān)系。
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另外它的損傷是累計損傷的結(jié)果，并不是某一段時間恒定的結(jié)果，我們通常工程師選器件的時候會有一個習慣，拿恒定的比如600A的模塊用到500A，這個時候我們計算一下它的損耗，實際上這是不準確的，因為它是在不停變化的，我們要改進它。改進的結(jié)果，整個生命周期當中都是要把變應(yīng)力轉(zhuǎn)化為恒應(yīng)力，我們從概率統(tǒng)計的結(jié)果來看它的曲線圖。
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?通過威布爾擬合得到曲線圖，最下面的地方可以看到是一個功率器件曲線后半段，我們擬合之后曲線是這樣的，還有多少壽命可以存在，這是一種手段。還有碳化硅高頻開關(guān)會帶來很多問題，比如串擾，會帶來一些問題。我們對于主功率回路進行調(diào)整，通過其他的手段比如現(xiàn)在有的驅(qū)動是分段式驅(qū)動，有的是變電阻驅(qū)動，這些驅(qū)動芯片包括一些技術(shù)研究成果都很多，比如改變柵極驅(qū)動電阻，我們只分2—3段也可以實現(xiàn)它，不一定需要這么多。振蕩的過程大家很清楚，就是因為它寄生參數(shù)小，我們才能高頻開關(guān)。但是高頻開關(guān)的時候它的振蕩會影響它的壽命。
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?整個智能驅(qū)動采取的是多信息融合的健康管理理念，進行數(shù)據(jù)采集，然后狀態(tài)監(jiān)測、健康評估，然后對故障進行預(yù)測，提供給維護工程師或者其他售后部門，我們這個模塊要換了還是等到壽命快終結(jié)的時候，就像知道一個人要離去了，我們應(yīng)該做好準備。我們這個數(shù)據(jù)怎么獲取的，通過人機接口和其他系統(tǒng)接口，我們已經(jīng)把這個系統(tǒng)嵌入了鈞聯(lián)研制的控制器里，可以通過離線的方式把這個數(shù)據(jù)下載下來，也可以在線方式通過CAN接口把它導(dǎo)出來。
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?在這個基礎(chǔ)上我們更進一步研究，已經(jīng)涉及到整個驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性了，這個時候我們會借助一些現(xiàn)在流行的技術(shù)手段，比如借助于卷積分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，還有數(shù)字編碼和其他的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。通過一個巨磁檢測的方式檢測電機的故障和其他的故障。這是電機一個測試平臺，我們這個平臺上把漏磁信號通過傅利葉變化，得到數(shù)據(jù)處理，然后通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法把參數(shù)和特征值提取，通過訓(xùn)練模型預(yù)測當前的故障，損壞到什么程度。另外一種技術(shù)手段，借助于多物理場仿真，左邊就是利用MATLAB，是系統(tǒng)級的，輸入電流電壓參數(shù)，依賴于MATLAB和Pspice，達到模塊級的，上面是開關(guān)的損耗，下面是導(dǎo)通損耗，最后得到芯片級的三維熱模型。
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?另外一個手段，很多工程師都有各種各樣的仿真工具，從多物理場到單板級、系統(tǒng)級、芯片級的，有人覺得仿得不準，是有這個問題，因為沒有閉環(huán)，仿是仿，但是沒有閉環(huán)。很多結(jié)構(gòu)工程師有經(jīng)驗，我們?nèi)シ?，仿完了以后預(yù)估的熱和實際測出來的溫度差異很大，為什么？沒有閉環(huán)。理論到實際和實際到理論的反復(fù)地結(jié)果，才能讓我們的仿真更加精細，更加切合實際。左邊的碳化硅模型我們用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做一個處理，通過MATLAB和Pspice反復(fù)結(jié)合，是一個閉環(huán)的過程。這個運行工況輸入，可以用Pspice獲取IGBT動態(tài)數(shù)據(jù)庫，然后我們反復(fù)閉環(huán)，最后得到的結(jié)果是一個接近真實的結(jié)果。完全精準很難，比如這個模型拿去做電磁仿真，高頻段就沒那么準了，因為參數(shù)有變，仿真和實際要結(jié)合起來。
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我們鈞聯(lián)在碳化硅模塊上應(yīng)用做了哪些工作呢？我們做了兩款800V的碳化硅電驅(qū)動總成，一個是250千瓦，一個是200千瓦的，速度都在20000轉(zhuǎn)，都按功能安全做的。我們還做了單電控，只有7.5千克。整個鈞聯(lián)到現(xiàn)在已經(jīng)四五年了，我們這塊做了很多工作。我們把整個汽車電力電子變換都做了，MCU、OBC、DCDC、DCAC都做了，我們還做了碳化硅封裝技術(shù)，單面水冷、雙面水冷、HPD的模型。
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?我今天的匯報就到這里，謝謝。