携手SiC-MOSFET, 提供汽车和工业解决方案

ABB 公司Rainer Käsmaier博士访谈录

为了加速市场进入高速增长的电动汽车（EV）领域，ABB电网事业部半导体董事总经理Rainer Käsmaier博士和美国领先的碳化硅功率半导体制造商Cree的首席执行官Gregg Lowe宣布建立合作伙伴关系，以共同在快速增长的功率半导体市场中大力推广应用基于碳化硅的产品。该合作旨在利用ABB广泛的功率半导体产品组合，使Cree扩大其客户群。

作者：Roland R.Ackermann，Bodo’s 功率系统通讯编辑

通过将Cree的碳化硅半导体纳入其产品组合，ABB加快了进入快速扩张的电动汽车行业的步伐。

对于Cree而言，这种合作关系有助于扩大公司的客户群。Cree的产品将被纳入ABB涵盖电网、列车和牵引、工业和电动汽车领域在内的功率半导体产品组合之中。Cree的高端碳化硅器件将在屡获殊荣的瑞士伦茨堡ABB自动化功率半导体工厂中组装成功率模块。

近日，我们有幸与Käsmaier博士共同探讨与Cree合作的相关问题：

贵公司与Cree展开合作的主要原因是什么？

Rainer Käsmaier博士：ABB不久前决定，我们在高压（HV）半导体领域拥有的专业知识可以助力我们开拓新的业务领域，这恰好符合电动汽车的发展趋势。电动汽车中电机驱动和高压（HV）电池系统充电均需要高压（HV）功率半导体。在这部分市场中，目前ABB的半导体除了已经在工业和轨道交通领域大量使用外，我们依然具备使用和应用专业知识的充足经验。宽禁带（WBG）技术（例如碳化硅）是电动汽车应用中一种高效的基体材料选择。

我们花了很长一段时间来开发功率组件，它们也非常适合在汽车中使用。可以预见的是，碳化硅将在电动汽车动力总成中带来巨大的优势，因此我们必须布局。而Cree实际上将自己视为强大的合作伙伴。

贵公司的产品系列中已经有功率模块了吧？

Rainer Käsmaier博士：对。功率模块是我们半导体产品组中的主要产品，它们进入了各种市场。实际上，我们一直在需要电压源变换器的所有工业领域中提供功率模块。在传统的“移动性”大型列车牵引逆变器领域，我们的进展尤其顺利。

当然，我们也正在非常积极地为家庭电网提供半导体模块。借助可再生能源电网，从风能或太阳能发电厂远距离运输散装电力变得尤为重要，这些电厂位置分散且并不完全位于城市所在地。因此需要高效的变电站，这是由ABB另一个部门的同事负责。

我们所掌握的这些技术也可以很好地应用于汽车行业。汽车功率模块不同于列车或高压直流变电站。汽车对功率器件尺寸、外形系数和变换器集成度方面的要求是不同的。我们相信ABB已经很好地理解了这些需求，并在2019年的PCIM上展示了可以满足这样需求的模块（见下方说明）。

因为碳化硅器件的尺寸更小、效率和可靠性更高且损耗更低，那么贵公司在这些方面向宽禁带碳化硅的方向发展是否也有利于环境？

Rainer Käsmaier博士：在ABB，我们并不打算采用低压硅MOSFET或氮化镓，而是采用高压器件。为了利于环境友好和减小电池尺寸，我们认为有必要使用碳化硅。与标准的硅基半导体相比，碳化硅半导体可实现几乎无损耗的能量转换，从而降低了功率变换损耗和二氧化碳排放量。

但这在将来也可以为铁路部门拓宽选择，ABB的模块在全世界的高速列车中使用，这也为飞行操作提供了一种有吸引力的替代方法，因此可为提高地球的清洁度做出巨大贡献。这对距离远的亚洲影响甚大，而在欧洲也变得越来越重要。

对于电动汽车，客户为最终用户，我们需要一个较小的电力电子设备，该设备应消耗很少的电力，从而可以利用现有电池最大程度地延长行驶里程；或者我们需要使用较小的电池来降低重量和成本。如果我们可以使所有消耗电力并且需要进行电力变换的部分都更加高效，那么我们也可以实现所需的更长续航里程，这将一直是所有电动汽车的决定性购买标准。

在宣布合作伙伴关系之前，贵公司是否已经活跃于宽禁带领域？

Rainer Käsmaier博士：是的。多年来，我们一直将碳化硅作为研究主题进行开发，并在2019年的PCIM上展示了上述第一批用于电动汽车的碳化硅模块原型。当然，我们必须区分模块和SiC芯片，SiC芯片尽管必不可少但它仅代表整个模块中的一部分。

您的同事Jürgen Schuderer在演讲中的论文也获得了最佳论文奖？

Rainer Käsmaier博士：是的，我为Jürgen Schuderer和整个研究团队感到骄傲。对于我们来说，几年前及时展开这项研究课题至关重要。有了这些成果，我们现在可以进入工业化阶段，并将理论知识付诸于实际应用。如果我们现在开始研究，已经有些晚了。

这些产品已经进入封装了吗？

Rainer Käsmaier博士：是的，现在在ABB瑞士伦茨堡的工厂做组装。当我们发现研究结果如此令人振奋时，我们开始加大生产模块的能力。

贵公司与Cree的协议是否仅限于SiC-MOSFET，还是会进一步推动WBG半导体的基础开发？

Rainer Käsmaier博士：众所周知，Cree不仅制造MOSFET，而且还进一步制造晶圆。它们确实处于该技术的最前沿。记得5月份Gregg Lowe就在纽伦堡宣布对SiC晶圆厂进行大规模投资。这证明了Cree是一位认真对待所有事情的市场“玩家”，这正是我们想要的合作伙伴。

我们的合作伙伴关系涉及晶圆和MOSFET，Cree对我们同时拥有MOSFET芯片和模块方面的专业知识也很感兴趣。而且我们不是从零开始。在此伙伴关系宣布之前，我们已经进行了联合开发项目。

我们不仅有可能维持双方各公司的现状，而且有可能在未来合作中深入发展。特别是对于我们这个行业，我们需要不断开发方可保持竞争力。由于时间周期短，半导体行业可能比在其他行业更为极端。

数十年来一直如此。而如果这时你又有了一位见多识广的合伙人，那么很显然，你必须优化双方的发展计划。展开来说这就是一个关于如何成为统一阵营的问题，但是需要对携手共进进行精心计划。

贵公司是否与其他Cree合作伙伴有联系，比如ZF或丹佛斯？

Rainer Käsmaier博士：通常，像Cree这样的公司不能只与高压功率半导体领域中的一个供应商合作。唯一重要的是，您必须明确区分与不同合作伙伴之间的合作内容。当然，这种职业行为适用于双方。

令人兴奋的是，对于这个市场许多人刚刚起步，还不清楚谁将重点放在哪里，谁必须与谁建立伙伴关系。对一些人来说，这已经非常明了，但对另一些人来说，这些只会在未来才会变得明晰。

那么，一切还在如期进行吗？

Rainer Käsmaier博士：晶圆-MOSFET-模块-逆变器，这条供应链必须首先建立起来。对我来说，最好的客户是逆变器制造厂商。附带说一下与本话题无关的事情，想想自动驾驶领域，有老玩家也有新玩家，今天谁也不能说谁会长期成功，谁会成为客户，谁会成为竞争对手。

您也在参与ABB的“Ability”平台吗？

Rainer Käsmaier博士：不直接参与。但是我们使用这个平台，我们可以说是内部客户。这也是我很高兴告诉您的信息：我敢肯定，您已经注意到我们的工厂在2018年获得了“年度自动化工厂”奖，因为我们使用了ABB机器人对后端模块生产线进行了完全自动化。同时也使用了ABB的软件解决方案，已经帮助我们获得了很多内部解决方案。

工业领域也是您提供的模块的重要应用领域吗？

Rainer Käsmaier博士：当然。几年以来，我们从以双重身份躬耕于工业4.0：工业4.0的自用用户以及工业4.0解决方案提供商。作为半导体制造商，我们需要从这两方着手，其中一点是自动化。我们之所以获奖，就是因为我们能够从生产线外部完全控制模块的制造。

另一个领域是半导体本身。随着智能化程度的提高，还可以实现控制、供电和移动的智能和自主系统。我们专注于以上两者，并相应地进行组织，以始终保持站在最前沿。否则我们就会错过这个市场！

www.new.abb.com/semiconductors

Rainer Käsmaier博士的采访中提到的获奖论文摘要：

汽车牵引逆变器大功率SiC和Si模块平台

Jürgen Schuderer等人（ABB公司研究部）和Andreas Apelsmeier（德国奥迪公司）

摘要：本文介绍了一种用于汽车动力总成的新型功率半导体模块平台。选用模具模组方法并通过采用交流和多层电流布线实现了对称设计和最小化寄生效应。所有互连都无焊料，以提供更高的可靠性，并满足当前和未来的汽车需求，例如在-40至150°C的范围内通过1000个温度冲击循环。SiC或Si器件封装在相同的外部轮廓中，为150-350kW功率等级范围内的逆变器提供了简单的可扩展性。通过将模具模组激光焊接到低成本的Al冷却器外壳上，可以实现无螺丝和无O环的三相逆变器模块。

电动汽车的快速发展，要求客车和商用车的传动系统使用经济可靠的电力电子逆变器。牵引逆变器的核心是功率半导体模块，可通过脉冲宽度调制来控制电机的转矩和速度。这些模块必须满足如下特定要求：

? 降低成本是关键的发展目标

? 发动机舱空间受限，模块必须进行优化，以便于在高度紧凑型逆变器中进行机械集成

? 必须针对恶劣的环境条件对模块进行优化

为了满足这些性能要求，ABB开发了一个SiC/Si功率模块平台，关键功能如下：

?选择模具模组方法，该方法不需要任何外壳，非常具有成本优势，并且可以提供出色的环境保护、循环可靠性以及冲击、振动和操作损坏保护功能。

?为了达到最高的循环可靠性和稳健性标准，功率模块实现完全无焊料。所有的互联都是烧结或焊接的。此外，设备顶侧由铜线粘合。

?为保证SiC快速开关，对电源和栅极环路寄生电感和耦合系数进行了严格最小化。

?通过将模具模组激光焊接到基于压纹铝板的冷却器结构中，实现了低成本的冷却器外壳。基于这种方式，无需拧紧或夹紧O形圈密封件即可实现紧凑的三相逆变器模块。

?该模块提供了多方面的可扩展性。使用两种不同的基板组装高功率SiC或低功率Si模块，均获得了相同的外部尺寸。这样实现了150-350kW范围的功率输出。此外，可以通过采用不同的功率模块组件材料（基板、底板、粘合材料）来调整模块成本，以针对特定目标车辆的成本性能比进行优化

进行了模块表征和加速应力测试，以验证性能并演示200℃结温下的高温运行。

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