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爆發式增長,碳化硅迎“上車”好時機(上)

發布時間:2022-09-07 來源:變頻器世界 類型:產業分析 人瀏覽
關鍵字:

PCIM 電力電子 變頻器世界

導  讀:

本期《變頻器世界》& PCIM Asia電力電子專欄將圍繞碳化硅功率器件在新能源車中的應用以及車規級碳化硅器件新進展的話題,邀請業內企業、專家、工程師進行廣泛參與討論。

碳化硅作為寬禁帶半導體材料,相對于SI基器件具備降低電能轉換過程中的能量損耗、更容易小型化、更耐高溫高壓的優勢,因此被汽車廠商看中。如今,碳化硅“上車”已成為新能源汽車產業難以繞開的話題,而這要歸功于搭載意法半導體碳化硅器件的特斯拉Model3的問世,使諸多半導體企業在碳化硅上“卷”了起來。

特斯拉率先使用SiC逆變器,直接打開了碳化硅(SiC)在新能源汽車的預期空間。將硅(Si)基組件替換成碳化硅(SiC)能明顯地提升車輛的續航能力。根據Wolfspeed數據,在逆變器中使用SiC器件后,能減小整體的體積、重量和成本,在車輛續航上也有5-10%的提升。在特斯拉Model 3搭載SiC逆變器后,傳統的汽車功率半導體廠商紛紛跟進對碳化硅(SiC)領域進行布局。

此外,根據法國咨詢公司Yole最新發布的報告顯示,2021年全球碳化硅功率器件市場份額約10.9億美元,雖在整體功率器件市場的占比不高,但近幾年增長迅速,預計2027年將達到63億美元,年復合增長率34%。從2022年的應用市場來看,碳化硅半導體67%將應用于汽車,26%應用于工業,其余用于消費和其他領域。其中,新能源汽車是碳化硅功率器件應用增長最快的市場。

據了解,目前已有特斯拉Model 3、比亞迪漢、蔚來ES7/ET7/ET5、小鵬G9、Smart精靈、五菱凱捷混合動力版和五菱星辰混動版等車型在使用或嘗試采用SiC器件,在逆變器、車載充電機(OBC)、DC/DC轉換器等部件中得到應用。有業內人士預測,2023年-2024年,長續航里程車型基本都會導入SiC器件,滲透率或將達40%。

顯然,在新能源汽車大熱的當下,SiC已經成為國內外汽車產業布局的重點,不論是合作開發還是自主研發,均將SiC推向了技術浪潮的巔峰。相對于硅基器件,SiC功率半導體在高工藝、高性能與成本間的平衡,將成為SiC功率器件真正大規模落地的關鍵核心點。隨著產業化進程的加速和成本的不斷下降,整體產業也正在步上高速增長的快車道。

本期《變頻器世界》& PCIM Asia電力電子專欄將圍繞碳化硅功率器件在新能源車中的應用以及車規級碳化硅器件新進展的話題,邀請業內企業、專家、工程師進行廣泛參與討論。


Q1

自2021年以來,導入SiC技術的新能源汽車品牌及車型不斷增加,在中高端新能源汽車領域,SiC功率器件已逐漸成為各大汽車品牌的標配,并有望加速普及應用。談談您對于目前SiC功率器件應用于新能源汽車市場情況的前景及看法。新能源汽車對SiC功率器件的性能有什么特殊的要求?

蘇勇錦

羅姆半導體(深圳)有限公司技術中心高級經理 

變頻器世界,PCIM ,電力電子

近年來,為了實現“碳中和”等減輕環境負荷的目標,需要進一步普及下一代電動汽車(xEV),從而推動了更高效、更小型、更輕量的電動系統的開發。尤其是在電動汽車(EV)領域,為了延長續航里程并減小車載電池的尺寸,提高發揮驅動核心作用的電控系統的效率已成為一個重要課題。SiC(碳化硅)作為新一代寬禁帶半導體材料,具備高電壓、大電流、高溫、高頻率和低損耗等獨特優勢。因此,業內對碳化硅功率元器件在電動汽車上的應用寄予厚望。


夏超

安森美中國區汽車現場應用工程師 

變頻器世界,PCIM ,電力電子


隨著目前SiC功率器件在高端新能源汽車上的逐步普及,未來將會有越來越多的車企選擇SiC功率器件作為其高端電動車型的標準配置。雖然SiC器件當前的市場價格相較于Si器件要稍高一些,但就綜合成本而言,SiC器件仍略具優勢。隨著SiC產能的持續提升,其市場價格會進一步降低,即性價比優勢將會更為突出。

新能源汽車對 SiC 功率器件性能的特殊要求可以從多個方面來看:從電氣的角度來看,新能源汽車多處于中低速運行工況,因此要求SiC功率器件在中低電流下擁有更低導通壓降。從封裝的角度來看,新能源汽車的運行工況極為復雜,SiC功率器件需要應對高溫高濕及強振動所帶來的威脅。從電磁兼容的角度來看,SiC功率器件使用高的開關頻率可以降低運行時的損耗,但同時也會加劇新能源汽車內部的電磁干擾,可能會給車輛帶來一定的安全隱患,因此需要保證SiC功率器件與新能源汽車間的電磁兼容性能。


練俊

丹佛斯硅動力有限公司大客戶經理 

變頻器世界,PCIM ,電力電子

從丹佛斯與客戶的溝通交流中,我們切實感受到在中高端新能源汽車領域,各大廠家紛紛布局800VSiC的電驅系統。隨著SiC芯片成本逐步降低,SiC功率器件的滲透率已經在加速提高。然而, SiC器件在新能源汽車的應用還處于早期攻關階段,只有成熟的封裝和設計才能充分發揮SiC芯片的優勢,達到符合車規級標準的可靠性和穩定性。


Doug Bailey

Power Integrations市場營銷副總裁  

變頻器世界,PCIM ,電力電子

我們也認為SiC是電動汽車(EV)應用中的一項重要技術,特別是當母線電壓增加到800V時。母線電壓的提高可實現更大的續航里程和更快的充電速度。SiC對于超過400V的系統是必要的,因為它是一種比傳統硅或IGBT更有效的技術。

為滿足這一需求,Power Integrations推出業界首款內部集成1700V SiC MOSFET的汽車級高壓開關IC。新的InnoSwitch?3-AQ IC可提供高達70W的輸出功率,主要用于600V和800V純電池和燃料電池乘用車,以及電動巴士、卡車和各種工業電源應用。


王中健

上海功成半導體科技有限公司SiC產品線總監 


變頻器世界,PCIM ,電力電子


目前新能源汽車用SiC器件,主要在主驅逆變器、OBC、DC/DC轉換上,以及配套的充電樁裝置。基于SiC的材料優勢,相比于IGBT,SiC MOSFET可以大幅減少這些元件在車上的占用體積并降低損耗(緩解耗電情況),IGBT逐漸會被碳化硅MOSFET替代,SiC 功率器件在新能源汽車市場占比也會越來越大。

車規級SiC 功率器件需要在可靠性、一致性等方面有更好規格,比如SiC 功率器件需要保證柵氧可靠性、并聯一致性等,來確保SiC 功率器件能夠滿足長時間、不間斷、處于極端條件下的使用,從而能在正常使用過程中避免安全事故的發生。


何黎

萬國半導體元件(深圳)有限公司Marketing Manager

變頻器世界,PCIM ,電力電子

SiC的器件,無論是單管還是模塊,都已經在新能源汽車的電驅、OBC、DC-DC等部分廣泛使用。隨著未來新能源車進一步取代燃油車, 新能源車對SiC的需求會急劇增加,這對于整個SiC的供應鏈是個很大的挑戰。

新能源車對SiC器件的要求,除了需要滿足最基本的AECQ-101車規的可靠性認證,客戶設計的效率以及相關的余量要求外,優化柵氧化層設計保證器件柵氧化層可靠性也至關重要;對于單管的應用來說,提供更小型化的封裝的產品滿足客戶進一步提升功率密度的需求也很重要。


Q2

雖然基于SiC功率器件市場前景無限廣闊,但是SiC產品技術商用化的挑戰依然存在,請問,貴公司有怎樣的技術優勢或者市場優勢?

陳子穎

英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監


變頻器世界,PCIM ,電力電子


碳化硅市場的增長是強勁的,前景是廣闊的,這主要由碳化硅的特性和應用價值決定的。在電力電子系統應用中,一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現,這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。

除高速特性動態損耗低之外,碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點,尤其適合對高溫、高功率密度、高頻高壓以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用。

但SiC 產品技術商用化的挑戰依然存在,可以舉兩個例子,SiC的高功率密度和高速特性需要有對應的產品封裝技術。

SiC MOSFET 芯片面積比IGBT小很多,譬如100A 1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續流二級管之和的五分之一。這時先進的封裝技術就非常重要,我們在單管封裝中,引入了.XT技術,即擴散焊技術,就是在特定溫度和壓力條件下,使得SiC芯片的背面金屬,與Lead Frame表面金屬產生原子的相互擴散,形成可靠的冶金連接,省去中間焊料,這需要英飛凌Know-how的特殊背金芯片與工藝才能實現。

而SiC MOSFET的高速特性,需要低寄生電感的模塊封裝,英飛凌中小功率的Easy封裝和大功率的XHP?封裝是最合適的SiC高速器件平臺,它們可以充分發揮SiC的特性,并實現大電流或為應用和客戶實現復雜拓撲模塊。


蘇勇錦

羅姆半導體(深圳)有限公司技術中心高級經理 


羅姆憑借以SiC為核心的器件為節能環保貢獻,還進行包括驅動控制IC(柵極驅動器)、功率分立器件等周邊部件在內的解決方案的提案。并且提供豐富的技術支持,除了提供評估、仿真工具,還與用戶開展聯合實驗室(Power Lab),加速合作伙伴關系。 

自2000年發現SiC半導體所帶來的巨大優勢以來,羅姆一直在推動SiC元器件的基礎研究。利用自有的生產體系可以完成從晶圓到元器件設計和封裝的各個工序。


此外,在應用層面,羅姆利用在全球范圍建立起來的支持體系,為SiC元器件的高速開關特性和高精度實現高速開關的柵極驅動器的一體化設計提供強有力的支持。



夏超

安森美中國區汽車現場應用工程師 


從技術方面來看,安森美(onsemi)領先于智能電源,很早就在SiC方向進行了技術布局與產業整合,近期對GT Advanced Technologies (GTAT)等企業的收購也極大地增強了安森美在SiC方向的設計與生產的能力,是少數能提供從襯底到模塊的端到端SiC方案供應商之一,安森美最新一代的SiC芯片的性能參數,相較于上一代產品有著顯著的提升,具有更強的抗雪崩能力。新的D3 1200 V SiC 二極管系列可實現導通損耗和開關損耗的最小化,使終端的應用能效比得到提升,1200 V M3S SiC MOSFET 在電氣指標等方面領先于行業的同類競品。器件在開關過程中的過沖問題是設計人員的一大痛點。安森美在對SiC模塊進行優化升級后,有效削弱了其在振鈴期間的電壓過沖。因此,器件可以在同等過沖下,獲得更快的開關速度和更低的損耗,或在同等開關速度下,實現更低的損耗和更小的過沖。


練俊

丹佛斯硅動力有限公司大客戶經理 


丹佛斯早在2001就推出了適用于新能源電驅系統的功率模塊,經過20多年的積累,已經擁有領先的封裝技術(比如注塑封裝, DBB ® 和ShowerPower ®),實現了SiC功率器件的可靠性和性能完美結合。而且已經在中高功率端獲得了市場上廣泛的認可,目前國內外一些知名度較高的汽車廠家已經開始應用丹佛斯的SiC模塊于其最新車型款式。

Power Integrations市場營銷副總裁  Doug Bailey

我們認為,實施SiC以及其他WBG技術(如GaN)的挑戰已在很大程度上得到解決。Power Integrations銷售的是解決方案,因此我們的IC在同一個封裝內集成SiC開關和驅動器以及復雜的保護電路。這意味著我們的器件易于使用,設計人員可以像使用傳統硅IC一樣使用它們,同時還能受益于更高電壓下的性能提升。


何黎

萬國半導體元件(深圳)有限公司Marketing Manager 


AOS的SiC產品線包括1200V/650V/750V的MOSFET和二極管,同時有車規級和工規級的產品適用于不同的應用場景。

我司的SiC MOSFET采用平面結構的工藝,可靠的柵氧化層設計以及優化的開關性能為客戶實現高可靠性的效率提升。


陳鑫磊

泰克科技行業開發經理 

變頻器世界,PCIM ,電力電子

泰克科技是一家有75年歷史專注電子測試測量設備的公司,電源轉換器行業一直是泰克非常專注的領域,SiC 新型功率半導體可以毫不夸張的講給電源轉換器行業帶來了巨大的變革,對于SiC功率器件廠家和使用SiC器件電源工程師都面臨著前所未來的測試及驗證的挑戰。所以泰克科技在7,8年前就開始投入這個第三代半導體器件領域的研究,與世界知名的功率半導體公司聯合開發了專門針對SIC和GaN的測試儀器與測試方法。目前被國內外功率半導體及電源轉換器客戶廣泛應用。


Q3

請問貴公司在SiC領域有著怎樣的布局?公司在第三代功率半導體方面有什么突破性進展?可否談談貴公司未來技術主攻方向和相關布局?

陳子穎

英飛凌科技工業功率控制事業部市場總監 


SiC畢竟是新材料,新技術,所以從材料、供應鏈到應用的成熟性需要一個過程,時機是很重要的。而且英飛凌在產品的技術研發方面是比較慎重的,對產品質量管控比較嚴格,為了向用戶提供品質、可靠性更好的SiC產品,英飛凌花了30年時間不斷進行技術打磨和沉淀。而且有重大突破的:

1、英飛凌是第一個采用溝槽柵做SiC MOSFET,這一技術很好解決了柵極氧化層的可靠性問題,也提高了SiC MOSFET的性能。

2、英飛凌還在積極投資一些創新的技術,從而能夠更好的成就我們的生產效率和良率的提升。2018年我們收購了一家碳化硅的冷切割技術的高科技公司Siltectra。英飛凌也在不斷的對其技術的應用進行長期的投入,近期我們也得到一些好的消息,首批的測試產品已經完成了生產的資格,同時我們接下來也會用一個試生產線來加大量產的速度。

這種冷切割的芯片切割技術,實際上對于碳化硅來說,非常高的價值在于它可以大大的減少對規定的原材料的浪費,所以我們可以用同樣數量的原材料切割成加倍的晶圓來供生產。

在今年的PCIM,英飛凌會展出增強型SiC MOSFET芯片技術;.XT技術的單管,最大規格低至7毫歐;低至2毫歐的Easy3B 半橋模塊;1.7kV和2kV芯片技術及其產品。


蘇勇錦

羅姆半導體(深圳)有限公司技術中心高級經理 


作為碳化硅元器件的領軍企業之一,羅姆一直致力于先進產品的開發,早在2010年便于業界首次量產SiC MOSFET。在車載領域,羅姆于2012年推出了支持AEC-Q101認證的車載品,并在車載充電器(OBC)領域擁有很高的市場份額。此外,羅姆碳化硅產品還應用于車載DC/DC轉換器等領域。2020年6月,羅姆發布了業界先進的第4代低導通阻抗碳化硅MOSFET。與以往產品相比,在不犧牲短路耐受時間的前提下,成功實現業界較高水平的低導通電阻。此產品非常適用于包括主機逆變器在內的車載動力總成系統和工業設備的電源。

今后將繼續通過與汽車廠商和車載廠商的合作,在推進更高效率更高品質的產品開發的同時,提供豐富的解決方案。


夏超

安森美中國區汽車現場應用工程師 


安森美作為SiC領域的領軍企業之一,致力于為客戶提供高效可靠的功率器件。為實現這一目標,安森美從襯底生長-晶圓刻蝕-芯片封裝-系統集成這四個方向來加以整合升級。

從第三代半導體方面的進展來看,安森美在SiC襯底上可以實現 6英寸和8英寸的自主生產;晶圓的生產重心正逐步從6英寸向8英寸產線轉移,可在一定程度上緩解市場上芯片荒的局面;在器件的封裝方面,安森美具有完整高效的生產體系,可以實現不同層次客戶應用的需求;在系統集成方面,安森美擁有優秀的現場應用工程(FAE)團隊,可以根據客戶具體的需求,為客戶提供最佳的解決方案。

安森美未來的主攻方向將會是智能電源與智能感知兩大方向:在智能電源方面,可持續發展成為電源高能效的需求驅動力,同時汽車、工業等也在加速電氣化和自動化;在感知層面,汽車業通過智能感知的技術可加快L2級以上自動駕駛的步伐,而工業自動化可獲得更高的產出效率。安森美一方面將順應中國發展大趨勢,推動智能電源和智能感知技術的發展,持續關注汽車功能電子化、自動駕駛、機器視覺、工廠自動化、5G、云電源領域。另一方面將持續發揮價值,與中國的戰略客戶建立聯合實驗室,提供更加智能和高度差異化的產品。公司將對中國的制造基地進行優化升級,以順應新能源汽車、工業等行業的大趨勢。最重要的是,安森美將與中國的戰略客戶簽訂長期供應協議,保障客戶的供應鏈安全。與此同時,安森美也會積極支持中國的2030碳達峰、2060碳中和等目標的實現。

圖片


練俊

丹佛斯硅動力有限公司大客戶經理 


丹佛斯目前主打的汽車級SiC功率模塊平臺DCM?1000X市場反響強烈,為適應市場需求,丹佛斯正加緊布局國際市場,歐洲、美國及中國的產線正在高速建設中。其中采用Cree三代芯片的1200V模塊在保證可靠性的前提下已經實現了領先的功率密度和輸出能力。丹佛斯專注于封裝技術的持續創新,且在芯片選擇上是獨立靈活的,市場上最新出現的Cree的Gen3+以及其他廠家的最新產品已經在評估中。未來我們會開發出更多款滿足客戶不同性能,成本和供應安全要求的產品,以適應客戶最前沿的SiC需求。

Power Integrations市場營銷副總裁  Doug Bailey

除了如前所述將SiC開關與驅動器封裝在IC中之外,Power Integrations還是為工業、牽引和可再生能源應用提供SiC模塊驅動器的領導者。我們的SCALE?-2 ASIC技術可實現有源鉗位短路保護、高效并聯并減少BOM數量。這有助于提高可靠性并降低系統成本。


何黎

萬國半導體元件(深圳)有限公司Marketing Manager 


AOS自2015年布局第三代半導體以來,持續不斷的增加對第三代半導體的投資,目前主要以SiC為主。我司的第二代的1200V/750V/650V SiC MOSFET產品已經全線推出市場,模塊類的產品也即將量產,未來除了繼續平臺迭代以外,將會不斷完善和豐富模塊類的產品線。


陳鑫磊

泰克科技行業開發經理 


泰克科技計劃為第三代功率半導體行業提供從晶圓側,封裝測,系統應用側全面解決方案。目前泰克推出了全新的TIVP系列光隔離探頭,轉為第三代功率半導體SiC和GaN研發,配合泰克12bit 高精度多通道示波器,組成SiC特性測試的強強組合,高達120dB共模抑制比,高達1GHz 帶寬,具有超高抗干擾性能,為SiC特性測試提供了準確可靠的測試技術。當然結合泰克旗下品牌Keithley的4200A和2600-PCT晶圓級參數測試方案和我們積極投入研發推出本土化SiC可靠性測試方案,和SiC 器件及模塊的動靜態性能測試方案,實現了全產業鏈的測試方案,來支持SiC器件廠家提升器件性能和良品率,支持電源工程師更好的應用和發揮SiC器件的特性,從而助力綠色能源的發展。


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