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新世代的電力電子 將讓電動車更便宜、更有效率
 

【作者: imec】   2019年03月11日 星期一

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大批的產業和學術人士將首次在歐盟引入碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN),並將之用於電動車的電力電子電路和充電基礎設施中,包括電動汽車和混合動力車。


透過這個技術,將有助於增加電動車的行駛里程,並降低電動車的能耗和價格。本文由愛美科(imec)專案經理Steve Stoffels和GaN技術主管Stefaan Decoutere,共同闡述歐盟的HiPERFORM專案,並說明愛美科的角色。


聯合歐盟各國的力量 發展更節能的電動車

歐洲運輸系統的溫室氣體排放總量佔了整體的23%,對全球氣候暖化有很大的影響,因此,汽車產業面臨著減少二氧化碳排放的巨大挑戰。二氧化碳是汽車排放的主要溫室氣體之一,大規模推出價格合理且節能的電動汽車,是幫助實現這個極具野心的減碳目標和實現無碳運輸系統(Decarbonized transportation system)的關鍵措施。


在此背景下,包括愛美科在內的眾多歐洲產業公司和研究機構已經聯合起來,首次在電動車的電力電子電路和充電基礎設施中引入寬能隙(wide-bandgap)技術。


在HiPERFORM專案中,它們將有助於減少大量的能源損失,以及電力電子的電路尺寸。例如,如果只有2%的汽車使用這些新技術,則可預期每年直接節能12.83兆瓦時(TWh)。這些先進的電力電子技術不僅可以實現更長的行駛里程和更低的能耗,而且還有望為降低電動汽車的價格做出貢獻。


為什麼是寬能隙材料?

電動汽車需要高效率的電力電子電路,來轉換來自不同電壓的電能,或者從AC轉換為DC,反之亦然。電力電子電路可以在電動汽車的不同的部件中找到,例如,它們將AC電源從充電點或電源插座轉換為相容於電池的DC電源,它們從電池向電動馬達傳輸高壓的電力,或者將電力轉換並分配給汽車內的加熱,冷卻和照明系統。汽車動力傳動系統的測試系統也需要電力電子電路,這個系統是用以測試電池或電動馬達是否在最有效率的工作狀態。


這些電力電子電路的核心是電力電子元件,例如開關和逆變器。如今,這些元件均採用標準矽(Si)半導體製造,但多年來,寬能隙材料,如SiC和GaN已經被引入了,而且在許多方面的性能更優於矽。



圖一 : 電動汽車依靠電力電子電路來實現各種功能,如果我們能夠透過使用新材料(如SiC和GaN)來改善這些問題呢?
圖一 : 電動汽車依靠電力電子電路來實現各種功能,如果我們能夠透過使用新材料(如SiC和GaN)來改善這些問題呢?

由這些材料製成的電力電子元件可以在更高的開關頻率和更高的溫度下工作,從而在電動馬達和混合驅動系統中實現更高的能量效率。這些獨特的特性還可以縮小其他電源電路元件的尺寸,例如冷卻系統和被動元件,從而實現更緊湊,重量更輕的電力電子系統。


HiPERFORM專案的合作夥伴將會使用這些寬能隙材料來研究和開發高效,可靠的電力電子元件,並將其引入下一代電動和混合動力汽車的動力傳動系統、充電器和測試系統中。SiC和GaN為基礎的電子元件也將被進一步的探索。與GaN相比,SiC能夠承受更高電壓,最可能會用於最苛刻的應用,例如汽車的動力傳動系統。


氮化鋁聚合物(Poly-AlN)基板能改善可靠度

可靠度是汽車應用的關鍵需求,對於電力電子元件而言,這一需求用白話來,就是1.2kV的崩潰電壓。但是今天的GaN元件根本不能承受高於650V的電壓,原因是為了降低成本的觀點,所以通常都使用Si基板來生產。


這個限制基本上與Si和GaN之間的晶格不匹配(lattice mismatch)有關,並且更重要的是,與生長或冷卻期間的熱膨脹失配有關。由於GaN緩衝層生長的高溫,因此溫度起著非常重要的作用。為了補償這種不匹配,緩衝層(基於鋁(Al)鎵(Ga)N)生長在Si和GaN之間,其充當應力補償層,這些緩衝層越厚,崩潰電壓就可以越高。



圖二 : 在200mm多晶AlN基板上的GaN功率元件。
圖二 : 在200mm多晶AlN基板上的GaN功率元件。

但是,對於200mm的氮化鎵上矽(GaN-on-Si)晶圓,緩衝層可以生長的厚度存在著限制。隨著厚度增加,氮化鋁/氮化鎵(AlN/ GaN)膜的破裂和晶片彎曲可能產生高密度的缺陷,從而在機械處理這些晶片時導致產量損失。這限制了可達到的最大厚度,也侷限了緩衝層的崩潰電壓。因此,在200mm GaN-on-Si上,達到高於650V的崩潰電壓是極具挑戰性的。


為了擴大電壓,愛美科提出了一種用於生長GaN的新型基板材料:氮化鋁聚合物(poly-AlN),該材料的熱膨脹係數可以更好地匹配GaN的熱膨脹係數。理論上來說,可以生成更厚的緩衝層,也允許更高的工作電壓,從而提高可靠性。 同時,傳統的GaN-on-Si方式需要大量採用磊晶製程,以發揮氮化鋁聚合物的優點。



圖三 : 圖表說明了在poly-AlN基板上獲得的高緩衝崩潰電壓。
圖三 : 圖表說明了在poly-AlN基板上獲得的高緩衝崩潰電壓。

在之前的名為PowerBase的ECSEL專案中,愛美科已經展示了由Qromis提供的氮化鋁聚合物基板的潛力,而在HiPERFORM中,目標是在這些基板上開發1.2kV等級的GaN緩衝層。愛美科已開發了一種專有的磊晶緩衝方案,用於在氮化鋁聚合物上生長裝置堆疊,且初步的結果非常樂觀,崩潰電壓已經高達900-1000V。 緩衝層由氮化鋁為成核層(模板),AlGaN過渡層,和GaN/AlN的超晶格結構組成。


濺射式AlN模板和緩衝層 可降低生產成本

傳統上,GaN緩衝層採用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長。然而,MOCVD製程明顯的增加了GaN元件的成本。因此,光電半導體研究機構Fraunhofer FEP正在開發一種新型濺射系統(sputter system),用於更有效地生長緩衝層的特定層。這種生長GaN緩衝層的獨特方式有望實現更快的生長速率、更低的生長溫度、更少的材料資源,以及轉移到更大基板的能力。


然而,更精確的實際節省成本將在專案進行的過程中才會被揭露,但與現有這些創新的GaN開關樣品相比,第一次估算約可降低40%的長期成本。初期,新系統將用於濺射AlN成核層;之後,則將會研究新技術是否可以用來增加緩衝區的其他層。


這個專案的成果首先會對下一代高效率的電動車產生正面的影響。此外,研究的結果也會加強GaN與其他競爭技術在汽車市場中的地位。


關於HiPERFORM專案

歐盟HiPERFORM專案是在2018年5月啟動,之前是在德國AVL的協調下運行了三年。目前該專案獲得了ECSEL Joint Undertaking(JU)的資助(協議No 783174),而JU獲得了歐盟的地平線2020研究和創新計劃,以及奧地利、西班牙、比利時、德國、斯洛伐克、意大利、荷蘭和斯洛文尼亞的支持。


愛美科的角色

愛美科參與新材料和製程的研究,將提高GaN開關的可靠性和降低成本。更具體地說,愛美科正在開發用於生長GaN的新型基板材料和相應的磊晶製程,並與Fraunhofer FEP一起尋找更有效的方法來沉積GaN緩衝層。


(本文由愛美科授權刊登;編譯/籃貫銘)


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