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新世代的电力电子 将让电动车更便宜、更有效率
 

【作者: imec】2019年03月11日 星期一

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大批的产业和学术人士将首次在欧盟引入碳化矽(SiC)和氮化??(GaN),并将之用於电动车的电力电子电路和充电基础设施中,包括电动汽车和混合动力车。


透过这个技术,将有助於增加电动车的行驶里程,并降低电动车的能耗和价格。本文由爱美科(imec)专案经理Steve Stoffels和GaN技术主管Stefaan Decoutere,共同阐述欧盟的HiPERFORM专案,并说明爱美科的角色。


联合欧盟各国的力量 发展更节能的电动车

欧洲运输系统的温室气体排放总量占了整体的23%,对全球气候暖化有很大的影响,因此,汽车产业面临着减少二氧化碳排放的巨大挑战。二氧化碳是汽车排放的主要温室气体之一,大规模推出价格合理且节能的电动汽车,是帮助实现这个极具野心的减碳目标和实现无碳运输系统(Decarbonized transportation system)的关键措施。


在此背景下,包括爱美科在内的众多欧洲产业公司和研究机构已经联合起来,首次在电动车的电力电子电路和充电基础设施中引入宽能隙(wide-bandgap)技术。


在HiPERFORM专案中,它们将有助於减少大量的能源损失,以及电力电子的电路尺寸。例如,如果只有2%的汽车使用这些新技术,则可预期每年直接节能12.83兆瓦时(TWh)。这些先进的电力电子技术不仅可以实现更长的行驶里程和更低的能耗,而且还有??为降低电动汽车的价格做出贡献。


为什麽是宽能隙材料?

电动汽车需要高效率的电力电子电路,来转换来自不同电压的电能,或者从AC转换为DC,反之亦然。电力电子电路可以在电动汽车的不同的部件中找到,例如,它们将AC电源从充电点或电源??座转换为相容於电池的DC电源,它们从电池向电动马达传输高压的电力,或者将电力转换并分配给汽车内的加热,冷却和照明系统。汽车动力传动系统的测试系统也需要电力电子电路,这个系统是用以测试电池或电动马达是否在最有效率的工作状态。


这些电力电子电路的核心是电力电子元件,例如开关和逆变器。如今,这些元件均采用标准矽(Si)半导体制造,但多年来,宽能隙材料,如SiC和GaN已经被引入了,而且在许多方面的性能更优於矽。



图一 : 电动汽车依靠电力电子电路来实现各种功能,如果我们能够透过使用新材料(如SiC和GaN)来改善这些问题呢?
图一 : 电动汽车依靠电力电子电路来实现各种功能,如果我们能够透过使用新材料(如SiC和GaN)来改善这些问题呢?

由这些材料制成的电力电子元件可以在更高的开关频率和更高的温度下工作,从而在电动马达和混合驱动系统中实现更高的能量效率。这些独特的特性还可以缩小其他电源电路元件的尺寸,例如冷却系统和被动元件,从而实现更紧凑,重量更轻的电力电子系统。


HiPERFORM专案的合作夥伴将会使用这些宽能隙材料来研究和开发高效,可靠的电力电子元件,并将其引入下一代电动和混合动力汽车的动力传动系统、充电器和测试系统中。SiC和GaN为基础的电子元件也将被进一步的探索。与GaN相比,SiC能够承受更高电压,最可能会用於最苛刻的应用,例如汽车的动力传动系统。


氮化铝聚合物(Poly-AlN)基板能改善可靠度

可靠度是汽车应用的关键需求,对於电力电子元件而言,这一需求用白话来,就是1.2kV的崩溃电压。但是今天的GaN元件根本不能承受高於650V的电压,原因是为了降低成本的观点,所以通常都使用Si基板来生产。


这个限制基本上与Si和GaN之间的晶格不匹配(lattice mismatch)有关,并且更重要的是,与生长或冷却期间的热膨胀失配有关。由於GaN缓冲层生长的高温,因此温度起着非常重要的作用。为了补偿这种不匹配,缓冲层(基於铝(Al)??(Ga)N)生长在Si和GaN之间,其充当应力补偿层,这些缓冲层越厚,崩溃电压就可以越高。



图二 : 在200mm多晶AlN基板上的GaN功率元件。
图二 : 在200mm多晶AlN基板上的GaN功率元件。

但是,对於200mm的氮化??上矽(GaN-on-Si)晶圆,缓冲层可以生长的厚度存在着限制。随着厚度增加,氮化铝/氮化??(AlN/ GaN)膜的破裂和晶片弯曲可能产生高密度的缺陷,从而在机械处理这些晶片时导致产量损失。这限制了可达到的最大厚度,也局限了缓冲层的崩溃电压。因此,在200mm GaN-on-Si上,达到高於650V的崩溃电压是极具挑战性的。


为了扩大电压,爱美科提出了一种用於生长GaN的新型基板材料:氮化铝聚合物(poly-AlN),该材料的热膨胀系数可以更好地匹配GaN的热膨胀系数。理论上来说,可以生成更厚的缓冲层,也允许更高的工作电压,从而提高可靠性。 同时,传统的GaN-on-Si方式需要大量采用磊晶制程,以发挥氮化铝聚合物的优点。



图三 : 图表说明了在poly-AlN基板上获得的高缓冲崩溃电压。
图三 : 图表说明了在poly-AlN基板上获得的高缓冲崩溃电压。

在之前的名为PowerBase的ECSEL专案中,爱美科已经展示了由Qromis提供的氮化铝聚合物基板的潜力,而在HiPERFORM中,目标是在这些基板上开发1.2kV等级的GaN缓冲层。爱美科已开发了一种专有的磊晶缓冲方案,用於在氮化铝聚合物上生长装置堆叠,且初步的结果非常乐观,崩溃电压已经高达900-1000V。 缓冲层由氮化铝为成核层(模板),AlGaN过渡层,和GaN/AlN的超晶格结构组成。


溅射式AlN模板和缓冲层 可降低生产成本

传统上,GaN缓冲层采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长。然而,MOCVD制程明显的增加了GaN元件的成本。因此,光电半导体研究机构Fraunhofer FEP正在开发一种新型溅射系统(sputter system),用於更有效地生长缓冲层的特定层。这种生长GaN缓冲层的独特方式有??实现更快的生长速率、更低的生长温度、更少的材料资源,以及转移到更大基板的能力。


然而,更精确的实际节省成本将在专案进行的过程中才会被揭露,但与现有这些创新的GaN开关样品相比,第一次估算约可降低40%的长期成本。初期,新系统将用於溅射AlN成核层;之後,则将会研究新技术是否可以用来增加缓冲区的其他层。


这个专案的成果首先会对下一代高效率的电动车产生正面的影响。此外,研究的结果也会加强GaN与其他竞争技术在汽车市场中的地位。


关於HiPERFORM专案

欧盟HiPERFORM专案是在2018年5月启动,之前是在德国AVL的协调下运行了三年。目前该专案获得了ECSEL Joint Undertaking(JU)的资助(协议No 783174),而JU获得了欧盟的地平线2020研究和创新计划,以及奥地利、西班牙、比利时、德国、斯洛伐克、意大利、荷兰和斯洛文尼亚的支持。


爱美科的角色

爱美科叁与新材料和制程的研究,将提高GaN开关的可靠性和降低成本。更具体地说,爱美科正在开发用於生长GaN的新型基板材料和相应的磊晶制程,并与Fraunhofer FEP一起寻找更有效的方法来沉积GaN缓冲层。


(本文由爱美科授权刊登;编译/篮贯铭)


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