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爆发式增长,碳化硅迎“上车”好时机(上)

2022/9/20 17:30:51   电源在线网
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碳化硅作为宽禁带半导体材料,相对于SI基器件具备降低电能转换过程中的能量损耗、更容易小型化、更耐高温高压的优势,因此被汽车厂商看中。如今,碳化硅“上车”已成为新能源汽车产业难以绕开的话题,而这要归功于搭载意法半导体碳化硅器件的特斯拉Model3的问世,使诸多半导体企业在碳化硅上“卷”了起来。

特斯拉率先使用SiC逆变器,直接打开了碳化硅(SiC)在新能源汽车的预期空间。将硅(Si)基组件替换成碳化硅(SiC)能明显地提升车辆的续航能力。根据Wolfspeed数据,在逆变器中使用SiC器件后,能减小整体的体积、重量和成本,在车辆续航上也有5-10%的提升。在特斯拉Model 3搭载SiC逆变器后,传统的汽车功率半导体厂商纷纷跟进对碳化硅(SiC)领域进行布局。

此外,根据法国咨询公司Yole最新发布的报告显示,2021年全球碳化硅功率器件市场份额约10.9亿美元,虽在整体功率器件市场的占比不高,但近几年增长迅速,预计2027年将达到63亿美元,年复合增长率34%。从2022年的应用市场来看,碳化硅半导体67%将应用于汽车,26%应用于工业,其余用于消费和其他领域。其中,新能源汽车是碳化硅功率器件应用增长最快的市场。

据了解,目前已有特斯拉Model 3、比亚迪汉、蔚来ES7/ET7/ET5、小鹏G9、Smart精灵、五菱凯捷混合动力版和五菱星辰混动版等车型在使用或尝试采用SiC器件,在逆变器、车载充电机(OBC)、DC/DC转换器等部件中得到应用。有业内人士预测,2023年-2024年,长续航里程车型基本都会导入SiC器件,渗透率或将达40%。

显然,在新能源汽车大热的当下,SiC已经成为国内外汽车产业布局的重点,不论是合作开发还是自主研发,均将SiC推向了技术浪潮的巅峰。相对于硅基器件,SiC功率半导体在高工艺、高性能与成本间的平衡,将成为SiC功率器件真正大规模落地的关键核心点。随着产业化进程的加速和成本的不断下降,整体产业也正在步上高速增长的快车道。

本期《变频器世界》& PCIM Asia电力电子专栏将围绕碳化硅功率器件在新能源车中的应用以及车规级碳化硅器件新进展的话题,邀请业内企业、专家、工程师进行广泛参与讨论。


Q1

自2021年以来,导入SiC技术的新能源汽车品牌及车型不断增加,在中高端新能源汽车领域,SiC功率器件已逐渐成为各大汽车品牌的标配,并有望加速普及应用。谈谈您对于目前SiC功率器件应用于新能源汽车市场情况的前景及看法。新能源汽车对SiC功率器件的性能有什么特殊的要求?

苏勇锦

罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理 

变频器世界,PCIM ,电力电子

近年来,为了实现“碳中和”等减轻环境负荷的目标,需要进一步普及下一代电动汽车(xEV),从而推动了更高效、更小型、更轻量的电动系统的开发。尤其是在电动汽车(EV)领域,为了延长续航里程并减小车载电池的尺寸,提高发挥驱动核心作用的电控系统的效率已成为一个重要课题。SiC(碳化硅)作为新一代宽禁带半导体材料,具备高电压、大电流、高温、高频率和低损耗等独特优势。因此,业内对碳化硅功率元器件在电动汽车上的应用寄予厚望。


夏超

安森美中国区汽车现场应用工程师 

变频器世界,PCIM ,电力电子


随着目前SiC功率器件在高端新能源汽车上的逐步普及,未来将会有越来越多的车企选择SiC功率器件作为其高端电动车型的标准配置。虽然SiC器件当前的市场价格相较于Si器件要稍高一些,但就综合成本而言,SiC器件仍略具优势。随着SiC产能的持续提升,其市场价格会进一步降低,即性价比优势将会更为突出。

新能源汽车对 SiC 功率器件性能的特殊要求可以从多个方面来看:从电气的角度来看,新能源汽车多处于中低速运行工况,因此要求SiC功率器件在中低电流下拥有更低导通压降。从封装的角度来看,新能源汽车的运行工况极为复杂,SiC功率器件需要应对高温高湿及强振动所带来的威胁。从电磁兼容的角度来看,SiC功率器件使用高的开关频率可以降低运行时的损耗,但同时也会加剧新能源汽车内部的电磁干扰,可能会给车辆带来一定的安全隐患,因此需要保证SiC功率器件与新能源汽车间的电磁兼容性能。


练俊

丹佛斯硅动力有限公司大客户经理 

变频器世界,PCIM ,电力电子

从丹佛斯与客户的沟通交流中,我们切实感受到在中高端新能源汽车领域,各大厂家纷纷布局800VSiC的电驱系统。随着SiC芯片成本逐步降低,SiC功率器件的渗透率已经在加速提高。然而, SiC器件在新能源汽车的应用还处于早期攻关阶段,只有成熟的封装和设计才能充分发挥SiC芯片的优势,达到符合车规级标准的可靠性和稳定性。


Doug Bailey

Power Integrations市场营销副总裁  

变频器世界,PCIM ,电力电子

我们也认为SiC是电动汽车(EV)应用中的一项重要技术,特别是当母线电压增加到800V时。母线电压的提高可实现更大的续航里程和更快的充电速度。SiC对于超过400V的系统是必要的,因为它是一种比传统硅或IGBT更有效的技术。

为满足这一需求,Power Integrations推出业界首款内部集成1700V SiC MOSFET的汽车级高压开关IC。新的InnoSwitch™3-AQ IC可提供高达70W的输出功率,主要用于600V和800V纯电池和燃料电池乘用车,以及电动巴士、卡车和各种工业电源应用。


王中健

上海功成半导体科技有限公司SiC产品线总监 


变频器世界,PCIM ,电力电子


目前新能源汽车用SiC器件,主要在主驱逆变器、OBC、DC/DC转换上,以及配套的充电桩装置。基于SiC的材料优势,相比于IGBT,SiC MOSFET可以大幅减少这些元件在车上的占用体积并降低损耗(缓解耗电情况),IGBT逐渐会被碳化硅MOSFET替代,SiC 功率器件在新能源汽车市场占比也会越来越大。

车规级SiC 功率器件需要在可靠性、一致性等方面有更好规格,比如SiC 功率器件需要保证栅氧可靠性、并联一致性等,来确保SiC 功率器件能够满足长时间、不间断、处于极端条件下的使用,从而能在正常使用过程中避免安全事故的发生。


何黎

万国半导体元件(深圳)有限公司Marketing Manager

变频器世界,PCIM ,电力电子

SiC的器件,无论是单管还是模块,都已经在新能源汽车的电驱、OBC、DC-DC等部分广泛使用。随着未来新能源车进一步取代燃油车, 新能源车对SiC的需求会急剧增加,这对于整个SiC的供应链是个很大的挑战。

新能源车对SiC器件的要求,除了需要满足最基本的AECQ-101车规的可靠性认证,客户设计的效率以及相关的余量要求外,优化栅氧化层设计保证器件栅氧化层可靠性也至关重要;对于单管的应用来说,提供更小型化的封装的产品满足客户进一步提升功率密度的需求也很重要。


Q2

虽然基于SiC功率器件市场前景无限广阔,但是SiC产品技术商用化的挑战依然存在,请问,贵公司有怎样的技术优势或者市场优势?

陈子颖

英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监


变频器世界,PCIM ,电力电子


碳化硅市场的增长是强劲的,前景是广阔的,这主要由碳化硅的特性和应用价值决定的。在电力电子系统应用中,一直期待1200V以上耐压的高速功率器件出现,这样的器件当今非SiC MOSFET莫属。

除高速特性动态损耗低之外,碳化硅还具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,尤其适合对高温、高功率密度、高频高压以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。

但SiC 产品技术商用化的挑战依然存在,可以举两个例子,SiC的高功率密度和高速特性需要有对应的产品封装技术。

SiC MOSFET 芯片面积比IGBT小很多,譬如100A 1200V的SiC MOSFET芯片大小大约是IGBT与续流二级管之和的五分之一。这时先进的封装技术就非常重要,我们在单管封装中,引入了.XT技术,即扩散焊技术,就是在特定温度和压力条件下,使得SiC芯片的背面金属,与Lead Frame表面金属产生原子的相互扩散,形成可靠的冶金连接,省去中间焊料,这需要英飞凌Know-how的特殊背金芯片与工艺才能实现。

而SiC MOSFET的高速特性,需要低寄生电感的模块封装,英飞凌中小功率的Easy封装和大功率的XHP™封装是最合适的SiC高速器件平台,它们可以充分发挥SiC的特性,并实现大电流或为应用和客户实现复杂拓扑模块。


苏勇锦

罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理 


罗姆凭借以SiC为核心的器件为节能环保贡献,还进行包括驱动控制IC(栅极驱动器)、功率分立器件等周边部件在内的解决方案的提案。并且提供丰富的技术支持,除了提供评估、仿真工具,还与用户开展联合实验室(Power Lab),加速合作伙伴关系。 

自2000年发现SiC半导体所带来的巨大优势以来,罗姆一直在推动SiC元器件的基础研究。利用自有的生产体系可以完成从晶圆到元器件设计和封装的各个工序。


此外,在应用层面,罗姆利用在全球范围建立起来的支持体系,为SiC元器件的高速开关特性和高精度实现高速开关的栅极驱动器的一体化设计提供强有力的支持。



夏超

安森美中国区汽车现场应用工程师 


从技术方面来看,安森美(onsemi)领先于智能电源,很早就在SiC方向进行了技术布局与产业整合,近期对GT Advanced Technologies (GTAT)等企业的收购也极大地增强了安森美在SiC方向的设计与生产的能力,是少数能提供从衬底到模块的端到端SiC方案供应商之一,安森美最新一代的SiC芯片的性能参数,相较于上一代产品有着显著的提升,具有更强的抗雪崩能力。新的D3 1200 V SiC 二极管系列可实现导通损耗和开关损耗的最小化,使终端的应用能效比得到提升,1200 V M3S SiC MOSFET 在电气指标等方面领先于行业的同类竞品。器件在开关过程中的过冲问题是设计人员的一大痛点。安森美在对SiC模块进行优化升级后,有效削弱了其在振铃期间的电压过冲。因此,器件可以在同等过冲下,获得更快的开关速度和更低的损耗,或在同等开关速度下,实现更低的损耗和更小的过冲。


练俊

丹佛斯硅动力有限公司大客户经理 


丹佛斯早在2001就推出了适用于新能源电驱系统的功率模块,经过20多年的积累,已经拥有领先的封装技术(比如注塑封装, DBB ® 和ShowerPower ®),实现了SiC功率器件的可靠性和性能完美结合。而且已经在中高功率端获得了市场上广泛的认可,目前国内外一些知名度较高的汽车厂家已经开始应用丹佛斯的SiC模块于其最新车型款式。

Power Integrations市场营销副总裁  Doug Bailey

我们认为,实施SiC以及其他WBG技术(如GaN)的挑战已在很大程度上得到解决。Power Integrations销售的是解决方案,因此我们的IC在同一个封装内集成SiC开关和驱动器以及复杂的保护电路。这意味着我们的器件易于使用,设计人员可以像使用传统硅IC一样使用它们,同时还能受益于更高电压下的性能提升。


何黎

万国半导体元件(深圳)有限公司Marketing Manager 


AOS的SiC产品线包括1200V/650V/750V的MOSFET和二极管,同时有车规级和工规级的产品适用于不同的应用场景。

我司的SiC MOSFET采用平面结构的工艺,可靠的栅氧化层设计以及优化的开关性能为客户实现高可靠性的效率提升。


陈鑫磊

泰克科技行业开发经理 

变频器世界,PCIM ,电力电子

泰克科技是一家有75年历史专注电子测试测量设备的公司,电源转换器行业一直是泰克非常专注的领域,SiC 新型功率半导体可以毫不夸张的讲给电源转换器行业带来了巨大的变革,对于SiC功率器件厂家和使用SiC器件电源工程师都面临着前所未来的测试及验证的挑战。所以泰克科技在7,8年前就开始投入这个第三代半导体器件领域的研究,与世界知名的功率半导体公司联合开发了专门针对SIC和GaN的测试仪器与测试方法。目前被国内外功率半导体及电源转换器客户广泛应用。


Q3

请问贵公司在SiC领域有着怎样的布局?公司在第三代功率半导体方面有什么突破性进展?可否谈谈贵公司未来技术主攻方向和相关布局?

陈子颖

英飞凌科技工业功率控制事业部市场总监 


SiC毕竟是新材料,新技术,所以从材料、供应链到应用的成熟性需要一个过程,时机是很重要的。而且英飞凌在产品的技术研发方面是比较慎重的,对产品质量管控比较严格,为了向用户提供品质、可靠性更好的SiC产品,英飞凌花了30年时间不断进行技术打磨和沉淀。而且有重大突破的:

1、英飞凌是第一个采用沟槽栅做SiC MOSFET,这一技术很好解决了栅极氧化层的可靠性问题,也提高了SiC MOSFET的性能。

2、英飞凌还在积极投资一些创新的技术,从而能够更好的成就我们的生产效率和良率的提升。2018年我们收购了一家碳化硅的冷切割技术的高科技公司Siltectra。英飞凌也在不断的对其技术的应用进行长期的投入,近期我们也得到一些好的消息,首批的测试产品已经完成了生产的资格,同时我们接下来也会用一个试生产线来加大量产的速度。

这种冷切割的芯片切割技术,实际上对于碳化硅来说,非常高的价值在于它可以大大的减少对规定的原材料的浪费,所以我们可以用同样数量的原材料切割成加倍的晶圆来供生产。

在今年的PCIM,英飞凌会展出增强型SiC MOSFET芯片技术;.XT技术的单管,最大规格低至7毫欧;低至2毫欧的Easy3B 半桥模块;1.7kV和2kV芯片技术及其产品。


苏勇锦

罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理 


作为碳化硅元器件的领军企业之一,罗姆一直致力于先进产品的开发,早在2010年便于业界首次量产SiC MOSFET。在车载领域,罗姆于2012年推出了支持AEC-Q101认证的车载品,并在车载充电器(OBC)领域拥有很高的市场份额。此外,罗姆碳化硅产品还应用于车载DC/DC转换器等领域。2020年6月,罗姆发布了业界先进的第4代低导通阻抗碳化硅MOSFET。与以往产品相比,在不牺牲短路耐受时间的前提下,成功实现业界较高水平的低导通电阻。此产品非常适用于包括主机逆变器在内的车载动力总成系统和工业设备的电源。

今后将继续通过与汽车厂商和车载厂商的合作,在推进更高效率更高品质的产品开发的同时,提供丰富的解决方案。


夏超

安森美中国区汽车现场应用工程师 


安森美作为SiC领域的领军企业之一,致力于为客户提供高效可靠的功率器件。为实现这一目标,安森美从衬底生长-晶圆刻蚀-芯片封装-系统集成这四个方向来加以整合升级。

从第三代半导体方面的进展来看,安森美在SiC衬底上可以实现 6英寸和8英寸的自主生产;晶圆的生产重心正逐步从6英寸向8英寸产线转移,可在一定程度上缓解市场上芯片荒的局面;在器件的封装方面,安森美具有完整高效的生产体系,可以实现不同层次客户应用的需求;在系统集成方面,安森美拥有优秀的现场应用工程(FAE)团队,可以根据客户具体的需求,为客户提供最佳的解决方案。

安森美未来的主攻方向将会是智能电源与智能感知两大方向:在智能电源方面,可持续发展成为电源高能效的需求驱动力,同时汽车、工业等也在加速电气化和自动化;在感知层面,汽车业通过智能感知的技术可加快L2级以上自动驾驶的步伐,而工业自动化可获得更高的产出效率。安森美一方面将顺应中国发展大趋势,推动智能电源和智能感知技术的发展,持续关注汽车功能电子化、自动驾驶、机器视觉、工厂自动化、5G、云电源领域。另一方面将持续发挥价值,与中国的战略客户建立联合实验室,提供更加智能和高度差异化的产品。公司将对中国的制造基地进行优化升级,以顺应新能源汽车、工业等行业的大趋势。最重要的是,安森美将与中国的战略客户签订长期供应协议,保障客户的供应链安全。与此同时,安森美也会积极支持中国的2030碳达峰、2060碳中和等目标的实现。


练俊

丹佛斯硅动力有限公司大客户经理 


丹佛斯目前主打的汽车级SiC功率模块平台DCM™1000X市场反响强烈,为适应市场需求,丹佛斯正加紧布局国际市场,欧洲、美国及中国的产线正在高速建设中。其中采用Cree三代芯片的1200V模块在保证可靠性的前提下已经实现了领先的功率密度和输出能力。丹佛斯专注于封装技术的持续创新,且在芯片选择上是独立灵活的,市场上最新出现的Cree的Gen3+以及其他厂家的最新产品已经在评估中。未来我们会开发出更多款满足客户不同性能,成本和供应安全要求的产品,以适应客户最前沿的SiC需求。

Power Integrations市场营销副总裁  Doug Bailey

除了如前所述将SiC开关与驱动器封装在IC中之外,Power Integrations还是为工业、牵引和可再生能源应用提供SiC模块驱动器的领导者。我们的SCALE™-2 ASIC技术可实现有源钳位短路保护、高效并联并减少BOM数量。这有助于提高可靠性并降低系统成本。


何黎

万国半导体元件(深圳)有限公司Marketing Manager 


AOS自2015年布局第三代半导体以来,持续不断的增加对第三代半导体的投资,目前主要以SiC为主。我司的第二代的1200V/750V/650V SiC MOSFET产品已经全线推出市场,模块类的产品也即将量产,未来除了继续平台迭代以外,将会不断完善和丰富模块类的产品线。


陈鑫磊

泰克科技行业开发经理 


泰克科技计划为第三代功率半导体行业提供从晶圆侧,封装测,系统应用侧全面解决方案。目前泰克推出了全新的TIVP系列光隔离探头,转为第三代功率半导体SiC和GaN研发,配合泰克12bit 高精度多通道示波器,组成SiC特性测试的强强组合,高达120dB共模抑制比,高达1GHz 带宽,具有超高抗干扰性能,为SiC特性测试提供了准确可靠的测试技术。当然结合泰克旗下品牌Keithley的4200A和2600-PCT晶圆级参数测试方案和我们积极投入研发推出本土化SiC可靠性测试方案,和SiC 器件及模块的动静态性能测试方案,实现了全产业链的测试方案,来支持SiC器件厂家提升器件性能和良品率,支持电源工程师更好的应用和发挥SiC器件的特性,从而助力绿色能源的发展。


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