HEEV封装SiC模块：高效、高可靠的新型车规级产品
近年来，电动汽车行业正迅速崛起，成为了当今汽车市场的一个重要领域。消费者对于清洁能源和高效能源利用的关注不断上升，以及政府对碳排放的监管加强，都推动了电动汽车的市场需求。
作者：Raffael Schnell, VP Product Management & Applications, SwissSEM Technologies
张强，赛晶亚太半导体科技（浙江）有限公司
电动汽车的市场定位不仅在于其外观和高性能，还在于创新和绿色科技的结合。这些汽车通常采用最先进的电动驱动技术，以提供卓越的性能和高功率输出。同时，轻量化设计和材料选择是电动汽车的关键特点，旨在提高能源效率并延长电池续航里程。
在这个竞争激烈的市场中，赛晶亚太半导体SwissSEM HEEV封装SiC模块成为了一项重要的技术创新。它不仅能够满足高功率要求，还能轻量化设计，提高系统效率。
HEEV封装SiC模块采用了1200V SiC MOSFET芯片，特别适用于800V高压平台应用。其Rds(on)仅为1.8mΩ@25℃，这意味着它具备卓越的导通特性，使其能够应对高达250kW的电驱动功率要求。这一低电阻特性不仅有助于提高电动汽车的效率，还能够降低系统能耗，为用户带来更高的性能和更长的续航里程。
一、HEEV封装SiC模块静态参数
赛晶目前采用了经过车规级认证的两种类型SiC晶圆，以下是这两种晶圆的静态特性对比表格：
通过对HEEV封装SiC模块结构的优化，赛晶成功地与行业领先企业的同规格封装模块进行了比较，并取得了以下三项显著的优势：
① 封装体积：相较于头部企业提供的同规格模块，赛晶的封装体积仅为其一半。这意味着赛晶的封装更为紧凑，有助于电动汽车系统的空间利用效率，同时也可以降低整车的重量和提高搭载性能。
② 连接阻抗：赛晶的模块接触电阻（Rd+Rss）仅为0.245mΩ，而相比之下，头部企业的模块的连接阻抗为0.5mΩ。这意味着赛晶的模块在电流传输方面表现更加出色，减少了能量损失，提高了效率。
③ 杂散电感：赛晶的模块寄生电感仅为4.1nH，而头部企业的模块则为6.5nH。这表示赛晶的模块在高频应用中具有更低的杂散电感，有助于降低电磁干扰并提高系统稳定性。
二、HEEV封装SiC模块动态特性分析
开通特性
HEEV封装SiC模块在125℃结温、800V母线电压，门极电阻分别为5Ω和3Ω对应的开通暂态波形及相关数据如下图所示，主要包含了开通电流ID、开通电流峰值IDm、开通di/dt，开通延时tdon，开通电流上升时间tr，开通损耗Eon等关键数据。
关断特性
HEEV封装SiC模块在125℃结温、800V母线电压，门极电阻分别为5Ω和3Ω对应的关断暂态波形及相关数据如下图所示，主要包含了关断电流ID、关断dv/dt，关断延时tdoff，关断电流下降时间tf，关断损耗Eoff等关键数据。
HEEV封装SiC模关断2倍额定电流1500A的波形如下图所示。从图中可以观察到，波形显示没有振荡，而且电压被有效地抑制在了1200V以下。这表明HEEV SiC模块在关断时表现出了较强的鲁棒性和稳定性。这是非常重要的，特别是在高电流和高压条件下，模块的关断特性对系统的安全性和可靠性至关重要。
反向恢复特性
HEEV封装SiC模块内部续流二极管在125℃结温、800V母线电压，门极电阻分别为5Ω和3Ω对应的反向恢复波形及相关数据如下图所示，主要包含了关断电流ID、反向恢复电荷Qrr、二极管关断di/dt、反向恢复损耗Erec、二极管关断电压dv/dt和反向恢复电流IRR等关键数据，这些数据表明HEEV SiC模块的内部续流二极管具有出色的反向恢复特性，包括低反向恢复电荷、低反向恢复损耗和较快的二极管关断速度。这对于提高系统的效率、降低损耗以及减少电磁干扰都非常重要，特别是在高温和高压条件下。
三、HEEV封装SiC模块整机性能
俗话说，“好马配好鞍”。为了充分发挥HEEV封装SiC模块的性能，赛晶特别为其设计了一套水冷方案，并配备了安装压条。功率模组的3D结构如下图所示，主要包括以下三部分：
①桥式压板：桥式压板是功率模组的关键组件之一。它的主要作用是将HEEV封装SiC模块稳固地安装在系统中，并提供足够的机械支持。这有助于确保模块在高功率操作下不会受到机械振动或冲击的影响，从而保持系统的稳定性。
② HEEV封装SiC模块是整个功率模组的核心。它包含SiC功率器件和相关电路，负责将电能从电源传输到负载，同时实现高效的功率转换。HEEV封装SiC模块的性能和稳定性对整个系统的性能至关重要。
③ 水冷散热器：水冷散热器是用于散热的关键组件。它通过水冷却的方式将HEEV封装SiC模块的热量有效地散发，保持模块在适宜的工作温度范围内。这有助于提高系统的可靠性和长期稳定性，尤其是在高负载和高温环境下。
封装优势
HEEV封装SiC模块采用了一系列先进的封装技术和工艺，具有多项优势，旨在提升其性能、环境友好性和寿命：
①环境友好性：采用了压注封装工艺，使其具备出色的环境抵抗能力。这种封装可以有效地抵御诸如空气湿度等恶劣环境因素对模块的影响，提高了模块的耐久性和可靠性。这对于电动汽车等需要在各种气象条件下工作的应用非常重要。
② 提升功率循环寿命：为了提高模块的功率循环寿命，采取了多项措施。去除了绝缘衬底和底板之间的焊接层，减少了热压下的热应力，有助于延长模块的寿命。采用芯片银烧结和铜线绑定等先进工艺，提高了模块内部连接的可靠性和导热性，从而进一步提高了模块的寿命。
③提升散热效率：为了有效散热，模块采用了无底板直接水冷方案。这种设计可以将热量迅速传导到散热器，并通过水冷却的方式将热量散发，确保模块在适宜的温度范围内运行。同时，采用先进的陶瓷材料降低芯片至散热器的热阻，进一步提高了散热效率。
出色的水冷方案
赛晶的HEEV封装SiC模块水冷方案具有多项优势，旨在解决传统水冷散热器在多模块配置中散热效率和模块温度均衡方面存在的技术问题：
①模块并联式水冷散热器：采用模块并联式水冷散热器，可以将多个HEEV模块有效地连接到同一个散热系统中。这种设计提高了系统整体的散热效率，确保每个模块都能获得足够的散热，避免了模块温度不均衡的问题。
②大湍流方案：采用大湍流方案，可以在冷却液中产生更大的湍流效应，从而提高了散热效率。这意味着更多的冷却液会流经模块，有效地冷却模块的热量，降低了模块温度。
③降低模块热耦合：通过改进水冷系统的设计，赛晶成功地降低了模块之间的热耦合效应。这意味着一个模块的高温不会对相邻模块产生负面影响，确保每个模块都能够独立、有效地散热。
4专利技术支持：赛晶申请了相关专利，为该水冷方案提供了法律保护，使其成为一项独特的技术创新。
针对两种散热方案，赛晶进行了CFD仿真，并对比了两种散热方式的差异，可以看出在同样流量下，并联水冷方案相比串联水冷方案热阻更低，水压更均匀，这为提升模块功率密度和可靠性提供了有力保障。
逆变器性能
基于采用HEEV封装方案的电驱逆变器输出功率在最大输出功率可达250kW，输出电流与开关频率关系曲线如图9所示。
电力电子领域的革命性创新
电动汽车市场正迎来飞速发展，赛晶也正积极参与并塑造这一充满活力的领域。赛晶专注于高端功率半导体产品的研发和制造，其中包括IGBT、FRD以及碳化硅等芯片和模块。赛晶的研发中心位于瑞士，技术团队由来自欧洲和国内顶尖的IGBT设计和制造专家组成，拥有几十年实践经验和卓越的业绩，是功率半导体领域的领导者之一。
赛晶的最新创新产品，HEEV封装SiC模块，旨在满足电动汽车市场的高功率、轻量化和高可靠性需求，同时考虑了高性能马达驱动的应用需求。这一模块的研发背后是赛晶不断追求卓越的工程和科技实力的体现，为电动汽车和电力电子领域的创新提供了关键支持。
赛晶在功率半导体领域的领导地位和技术实力，将继续推动电动汽车行业的发展，并为可持续能源和电动交通的未来做出贡献。