800V高壓平臺是大勢所趨，但高壓會(huì)帶來器件損耗增加，在這方面碳化硅是一個(gè)好的解決方案，碳化硅現(xiàn)在的需求很多，但是良率、生產(chǎn)效率還是沒有取得比較大的突破，供應(yīng)的焦慮仍然是大家關(guān)注的。

目前乘用車的IGBT一般是用在輔驅(qū)，主驅(qū)仍然是碳化硅的方式，在800V平臺的IGBT硅基產(chǎn)品是作為碳化硅的重要補(bǔ)充。中車從2008年基于第三代高壓平面柵技術(shù)開始，開發(fā)了45678代IGBT芯片技術(shù)，推動(dòng)了整個(gè)技術(shù)的正向開發(fā)。面對高壓電驅(qū)應(yīng)用場景，中車也開發(fā)出了相應(yīng)的IGBT的產(chǎn)品。

株洲中車時(shí)代半導(dǎo)體有限公司汽車產(chǎn)品線總監(jiān)宋自珍表示，未來IGBT的發(fā)展趨勢是深度精細(xì)化和更高工作結(jié)溫。

以下是演講實(shí)錄。

宋自珍：非常感謝NE時(shí)代第三屆對我們的邀請，今天我分享的主題是“800V高壓系統(tǒng)中的IGBT開發(fā)與應(yīng)用”。800V從去年開始大家普遍被接受也是一個(gè)大的趨勢，在800V這個(gè)系統(tǒng)里面大家普遍地認(rèn)為碳化硅應(yīng)該是很好的解決方案，硅有什么機(jī)會(huì)或者為解決方案推動(dòng)一些工作，也跟大家探討一下。

在乘用車高壓化的趨勢下，現(xiàn)在一些商用車更在往1000V平臺轉(zhuǎn)，后面會(huì)不會(huì)有更高的電壓系統(tǒng)支撐整個(gè)車往更大功率、更高電壓的方向走，還是需要整車來定義的。對于高壓化的平臺過程，大家知道高壓化過程當(dāng)中可能車、控制器都往更高壓、更大功率、更高效率的方向發(fā)展，才會(huì)伴隨著我們通過碳化硅、硅來保證我們功率半導(dǎo)體和整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用的安全。

800V這個(gè)平臺里帶來的好處大家都知道，包括快充，現(xiàn)在里程焦慮帶來的電池補(bǔ)電的過程，快充是一個(gè)很好的方式?？斐湫枰唠妷喝パa(bǔ)電，這是一方面。另外大家關(guān)注的車輛的效率，如果高壓帶過來的是損耗的增加，損耗增加就會(huì)使得效率達(dá)不到我們所需要的目標(biāo)。

在800V這塊，碳化硅是一個(gè)好的解決方案，碳化硅現(xiàn)在的需求很多，但是良率、生產(chǎn)效率還是沒有取得比較大的突破，供應(yīng)的焦慮仍然是大家關(guān)注的。第二，關(guān)于硅基的解決方案，硅基1200V產(chǎn)品這塊商用車是一直在使用的，但是商用車的電壓也是從500到現(xiàn)在800多伏的過程，乘用車高壓平臺目前IGBT一般是用在輔驅(qū)，主驅(qū)仍然是碳化硅的方式。

如果碳化硅的需求和供應(yīng)是匹配的，那大家肯定會(huì)選擇碳化硅，但是當(dāng)前狀態(tài)下出現(xiàn)了供應(yīng)的緊張，所以我們也在看800V平臺的IGBT硅基產(chǎn)品作為碳化硅重要的補(bǔ)充。前段時(shí)間特斯拉也宣布減少75%的用量，但是這75%碳化硅用量到底是系統(tǒng)本身減少用量還是用其他的方式替代，大家都在猜測。不管哪一種方式，用硅也好，用碳化硅也好，大家都要一起來提供國內(nèi)目前的SiC應(yīng)用場景和器件的供應(yīng)。

中車從2008年基于第三代高壓平面柵技術(shù)開始，開發(fā)了45678代IGBT芯片技術(shù)，推動(dòng)了整個(gè)技術(shù)的正向開發(fā)。目前第四代的最主要還是在牽引級的軌道交通、電網(wǎng)級的產(chǎn)品里面。溝槽開始用在第五代，第六代是中車推出的精細(xì)溝槽，第七代是做到電密度到315A/cm2的。

整個(gè)面向車用的不同功率段、封裝形式，我們也會(huì)從模塊方案想，不同的功率段，S0、S2、S3+系列的產(chǎn)品，包括L系列產(chǎn)品的圖譜，更加豐富。像1200V硅基產(chǎn)品我們也開發(fā)出了，包括S3+系列產(chǎn)品，目前量產(chǎn)的是600A，后面也會(huì)基于更大功率的開發(fā)出720A的產(chǎn)品。

我們做這個(gè)事主要還是基于工藝平臺的考量，中車目前這一代的車規(guī)級的IGBT專業(yè)線為我們整個(gè)技術(shù)平臺開發(fā)提供了很好的支撐，包括超薄片，如果把它做到750V器件可以做到70微米左右，我們現(xiàn)在的平臺可以支撐50微米的超薄片技術(shù)，包括接觸尺寸可以做到200納米，我們現(xiàn)在基于.13平臺工藝可以達(dá)到，還有金屬膜技術(shù)，芯片表面鍍層，讓功率循環(huán)的能力做很好地提升。比如現(xiàn)在普通的820模塊可以做到10萬次以上的PC能力。

面對不同的應(yīng)用場景，高壓這塊中車也開發(fā)出了相應(yīng)的IGBT的產(chǎn)品，最早的是商用車，包括600、900甚至1000A的產(chǎn)品，我們最早開發(fā)了面向商用車的S3+產(chǎn)品，一個(gè)替三個(gè)半橋，量產(chǎn)在2021年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

當(dāng)然把這個(gè)產(chǎn)品從商用車轉(zhuǎn)移到乘用車，包括一些可靠性技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的加持，我們現(xiàn)在在乘用車輔驅(qū)上也已經(jīng)量產(chǎn)了。面向乘用車的主驅(qū)，輸出電流更高一些，比如要到400安培以上，還有一些面向更高的電壓，如果800V平臺滿充，可能800V以上，有些甚至到了900V的需求。我們是否可以做一些定制化的，把1200V器件的電壓再往上提升。我們開發(fā)出1300V的STMOS器件，另外看有沒有混碳的方式，比如用碳化硅的SBD做反并聯(lián)，降低反向恢復(fù)及開通的損耗。900A、1000A的產(chǎn)品目前我們已經(jīng)可以量產(chǎn)了，原先是600A的產(chǎn)品用得多，600A的產(chǎn)品目前的溝槽，芯片面積相當(dāng)大，不劃算，成本比較高，售價(jià)又賣不起來。只能通過技術(shù)的不斷加持，包括900A和1000A的產(chǎn)品，用中車第7代精細(xì)溝槽的芯片，滿足更高工作結(jié)溫，采用銅線互聯(lián)，滿足更大的電流輸出的需求。運(yùn)用原先的雙450A并聯(lián)的場景。

面向于S3+封裝，中車最早開發(fā)的基于第六代的RTMOS芯片，也是我們目前S3+系列用的最多的芯片技術(shù)，便于控制器內(nèi)安裝，我們采用了包括氮化硅的襯板降低熱阻，我們采用直接水冷的方式提升整個(gè)控制器的功率密度。當(dāng)然這個(gè)產(chǎn)品在乘用車這塊去年也已經(jīng)某個(gè)項(xiàng)目量產(chǎn)了，目前國內(nèi)的高壓平臺的輔驅(qū)基本上都選用了我們這款產(chǎn)品。這產(chǎn)品在乘用車850V條件下滿足200多安培的電流輸出的需求，如果800V條件下可能高一點(diǎn)，到280A。這里也列了一些數(shù)據(jù)，基于150度的結(jié)溫做的測試和估算，如果商用車下，頻率會(huì)稍微低一些，滿足420安培的電流輸出，可能比這個(gè)還大一點(diǎn)。這個(gè)基礎(chǔ)上我們開發(fā)出第七代的產(chǎn)品，基于STMOS的芯片實(shí)現(xiàn)更大的出流能力和更強(qiáng)的短路耐受能力，滿足高壓主驅(qū)所在功率段的需求。當(dāng)然相比于RTMOS來說，它的壓降會(huì)降低，關(guān)斷也是一樣的，拖尾時(shí)長做了優(yōu)化，目前這個(gè)產(chǎn)品開發(fā)出來以后正在一個(gè)項(xiàng)目上進(jìn)行PV測試，它的需求可以滿足800V條件下輸出400A的能力，如果水溫控制得低一點(diǎn)，輸出能力會(huì)更高一些。

再往上就是1300V了，基于900V的平臺，可能對于1200V器件來說有一個(gè)點(diǎn)就是過電壓，會(huì)帶來的是良率的損失。與其這樣不如提升，我們開發(fā)出了1300V的器件，基于1300V的器件，我們現(xiàn)在通過一些片厚的調(diào)整，在電壓的耐量、開關(guān)損耗、短路能力這塊都做一些折衷的匹配，既保證它的有效輸出，又保證它的安全性。目前基于1300V的產(chǎn)品我們也做了一些調(diào)整，65度水溫可以在320A，45度水溫可以到390A的能力，如果整流端可能就是在280A。堵轉(zhuǎn)在270A，如果是2K的話。

還有剛才提到的混碳的方案，當(dāng)然目前還在設(shè)計(jì)階段。就是把原先的硅FRD改成碳化硅的SBD的形式，仍然沿用S3+的封裝形式，但是我們想一個(gè)新的思路，看有沒有可能。比如提升效率、降低損耗，因?yàn)镾BD的影響，反向恢復(fù)基本沒有了，如何保證它的可靠性，還是要用到一些燒結(jié)的工藝，保證它的功率循環(huán)的能力?，F(xiàn)在做的一些計(jì)算仿真來看，Eon可以降低40%，整個(gè)損耗在25%左右的降低。如果IGBT本身不動(dòng)它，做SBD反并聯(lián)，輸出能力可能會(huì)提升15%左右。當(dāng)然我們會(huì)平衡燒結(jié)帶來的成本差異，效率提升這塊我們會(huì)和包括電驅(qū)、整車一起算這個(gè)賬，看能不能支撐這條路走下去。

未來發(fā)展趨勢，一個(gè)方面是更精細(xì)化。剛才提到中車的產(chǎn)品，4、5、6、7代都是往更精細(xì)化調(diào)整的，降低動(dòng)態(tài)損耗。還有降片厚，保證你的耐壓是可靠的同時(shí)，降了片厚就是降靜態(tài)的損耗，通過元胞尺寸更精細(xì)化，片厚的更薄，達(dá)到器件更耐壓，損耗更低。

第二，更高的工作結(jié)溫。我們也做了一些試驗(yàn)驗(yàn)證，包括芯片的優(yōu)化，表面膜的優(yōu)化來提升耐熱載流子的能力。我們現(xiàn)在在做200度的HTRB長期的可靠性應(yīng)用?，F(xiàn)在175度的結(jié)溫應(yīng)用已經(jīng)可以了，200度以上硅是不是可以達(dá)到，包括一些封裝材料的達(dá)成，還有環(huán)氧或者高溫硅膠的使用，或者焊接材料的使用等等，把工作結(jié)溫再做提升，從器件本身能力挖潛。

第三，RC基于逆導(dǎo)的情況。它的熱阻是降低的，帶來的就是輸出能力的增加。我們也對比了一下，比如一個(gè)950模塊和我1200A的模塊相比，整個(gè)輸出能力可以提升15%以上。當(dāng)然這條路線現(xiàn)在國際同行也在走，但是很多是基于普通的溝槽，輸出能力是可以提升的，但是效率好像沒有辦法提升。我們也在想能否基于STMOS超精細(xì)溝槽的狀態(tài)下再去做RC，把效率和輸出能力提升同步做到。還有基于應(yīng)用，更高電壓，如果800V再往上1000V，能否做三電平呢，這是電驅(qū)要考量的方案。理論上是可行的，它所承載的電壓是一半，可以用更低的器件應(yīng)用到更高的系統(tǒng)電壓當(dāng)中。另外更多層次的輸出電壓，諧波還會(huì)更小一些。當(dāng)然要做的三電平的系統(tǒng)，對器件的一致性要求更高一些。

這是我的分享，非常感謝大家。中車一直致力于功率半導(dǎo)體這條路，尤其是車用這塊我們這幾年有賴于合作伙伴一起幫我們把能力逐步提升，我們也希望通過我們的技術(shù)加持包括我們提供穩(wěn)定的交付、穩(wěn)定質(zhì)量輸出的產(chǎn)品來保證各位系統(tǒng)的應(yīng)用、整車的應(yīng)用能夠更加可靠。謝謝。

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