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汽車(chē)SiC功率半導(dǎo)體勢(shì)不可擋

2020-09-08
來(lái)源:半導(dǎo)體行業(yè)觀察

  近日,DIGITIMES Research給出了一組數(shù)據(jù):預(yù)計(jì)到2025年,電動(dòng)汽車(chē)用碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體將占SiC功率半導(dǎo)體總市場(chǎng)的37%以上,高于2021年的25%。

  SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一,令其成為新能源汽車(chē)的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比,基于SiC的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕,且結(jié)構(gòu)更緊湊。

  在電動(dòng)汽車(chē)中,SiC功率半導(dǎo)體主要用于驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的逆變器、車(chē)載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言,800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單,機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于車(chē)載充電和快速充電樁,SiC功率半導(dǎo)體與傳統(tǒng)硅器件相比,在充電過(guò)程中減少了能量損失,也減少了所需的電容和電感的數(shù)量。

  SiC比硅更薄、更輕、更小巧,市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。車(chē)用半導(dǎo)體中,SiC是未來(lái)趨勢(shì),目前,xEV車(chē)中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主,考慮到未來(lái)電動(dòng)車(chē)需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量,SiC基MOSFET將是大勢(shì)所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率,從而降低電池成本。

  SiC行業(yè)龍頭Cree預(yù)計(jì)到2022年,SiC在電動(dòng)車(chē)用市場(chǎng)空間將快速增長(zhǎng)到24億美元,是2017年車(chē)用SiC整體收入(700萬(wàn)美元)的342倍。

  目前來(lái)看,車(chē)用功率半導(dǎo)體器件中,仍以硅基IGBT為主,而SiC基MOSFET代表著未來(lái),因?yàn)樗阅芨鼜?qiáng),但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而,隨著整車(chē)動(dòng)力電池包越來(lái)越大、電機(jī)最大功率/峰值扭矩越來(lái)越高,SiC基MOSFET的優(yōu)勢(shì)就越顯著。

  要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢(shì),就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù),以獲得更高的工作電壓、最大功率和綜合效率。目前,SiC基MOSFET系統(tǒng)的綜合效率(以逆變器效率計(jì)算)約為98%,在應(yīng)用層面,SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢(shì)。

  SiC 應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)的逆變器、OBC、DC/DC時(shí),更低的阻抗可帶來(lái)更小的尺寸,更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸,且更耐高溫,可以減小冷卻系統(tǒng)的尺寸,最終帶來(lái)的是系統(tǒng)級(jí)的體積縮小和成本的降低。

  車(chē)用SiC器件

  SiC用在車(chē)用逆變器上,能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量,做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下,全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊,同時(shí)也可以使開(kāi)關(guān)損耗降低75%(芯片溫度為150° C)。在相同封裝下,全SiC模塊具備更高的電流輸出能力,支持逆變器達(dá)到更高功率。

  特斯拉的Model 3采用了意法半導(dǎo)體和英飛凌的SiC逆變器,是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車(chē)企。2017年12月,羅姆為VENTURI車(chē)隊(duì)在電動(dòng)汽車(chē)全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E”錦標(biāo)賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器,使逆變器尺寸下降了43%,重量減輕了6kg。

  逆變器已經(jīng)開(kāi)始使用IGBT+SiC SBD的混合方案,預(yù)計(jì)全SiC的逆變器將從2023年開(kāi)始在主流豪華車(chē)品牌中量產(chǎn)。

  據(jù)Cree測(cè)算,SiC逆變器能夠提升5-10%的續(xù)航,節(jié)省400-800美元的電池成本(80kWh電池、102美元/kWh),與新增200美元的SiC器件成本抵消后,能夠?qū)崿F(xiàn)至少 200美元的單車(chē)成本下降。據(jù)羅姆測(cè)算,到2026年,幾乎所有搭載800V動(dòng)力電池的車(chē)型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢(shì)。

  此外,車(chē)載OBC和DC/DC,已經(jīng)開(kāi)始采用SiC器件,比如PFC電路中二極管切換改為了SiC SBD,或者將OBC的DC/DC原邊電路MOSFET管改為SiC MOSFET。全SiC方案也有望從 2021年開(kāi)始量產(chǎn)。

  新能源車(chē)的功率控制單元(PCU)是汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng),管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向和傳遞速度,傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成,強(qiáng)電流與高壓電穿過(guò)硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車(chē)最主要的電能損耗來(lái)源,而使用SiC則可大大降低這一過(guò)程中的能量損失。

  將傳統(tǒng)PCU配備的硅二極管換成SiC二極管,硅IGBT換成SiC MOSFET,就可以降低10%的總能量損耗,同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸,使車(chē)輛更為緊湊。

  SiC功率器件也在加速融入車(chē)載充電器領(lǐng)域,已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動(dòng)汽車(chē)充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì),這一市場(chǎng)在2023年之前可保持44%的增長(zhǎng)速度。

  廠商動(dòng)態(tài)

  Cree一直在積極擴(kuò)大其SiC襯底產(chǎn)能并將業(yè)務(wù)重心從LED向功率器件轉(zhuǎn)移,成為大眾FAST(未來(lái)汽車(chē)供應(yīng)鏈)項(xiàng)目合作伙伴,和安森美簽署了多年期協(xié)議,為其供應(yīng)6英寸襯底和外延片,并擴(kuò)大了和意法半導(dǎo)體的合作范圍,增加了訂單。

  其它廠商方面,豐田和電裝、富士、三菱合作開(kāi)發(fā)SiC基MOSFET,博世擬用其位于羅伊特林根的半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)SiC晶圓。

  在中國(guó),華為戰(zhàn)略投資了山東天岳,北方華創(chuàng)向天岳批量供應(yīng)生產(chǎn)6英寸SiC晶圓的單晶爐,可以控制產(chǎn)品缺陷情況。此外,比亞迪也在進(jìn)行SiC基功率半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)研發(fā)。

  整車(chē)廠方面,從特斯拉Model 3車(chē)型2018年銷(xiāo)量反推,SiC基MOSFET單車(chē)價(jià)值約為1300美元,考慮到能效提升對(duì)同等工況續(xù)航條件下動(dòng)力電池用量的節(jié)約作用,估計(jì)使用SiC基 MOSFET比硅基IGBT總成本提升100-150美元。

  對(duì)于定位在10萬(wàn)元及以下的車(chē)型來(lái)說(shuō),使用SiC基MOSFET仍有一定成本壓力;對(duì)于定位在30萬(wàn)元及更高的車(chē)型而言,鑒于消費(fèi)者對(duì)工況續(xù)航、整車(chē)動(dòng)力性的要求較高,動(dòng)力電池搭載量較大,電機(jī)最大功率/峰值扭矩較高,SiC基MOSFET對(duì)整車(chē)極限性能的提升有很大幫助。

  目前來(lái)看,Model 3是SiC基MOSFET在新能源汽車(chē)上應(yīng)用的成功案例,其電控系統(tǒng)共搭載了24個(gè)650V、100A的SiC基MOSFET功率模塊,每個(gè)模塊有兩個(gè)芯片并聯(lián)組成。

  特斯拉在設(shè)計(jì)電控過(guò)程中,充分考慮了回路電感對(duì)開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗、電氣可靠性和功率密度的影響,使得以SiC基MOSFET為核心的高效電控系統(tǒng)成為整車(chē)低電耗的有力保障。

  Model 3是首款逆變器采用SiC功率器件的純電動(dòng)車(chē)型,由ST定制,耐壓650V,由標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)半橋功率開(kāi)關(guān)拓?fù)錁?gòu)成,單橋臂由4顆單管的小模塊構(gòu)成,每個(gè)模塊由兩個(gè)SiC die構(gòu)成。

  成本控制

  目前,制約SiC功率器件大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙依然是成本,受制于上游晶圓產(chǎn)能不足、晶圓缺陷面積較大等原因,目前SiC功率器件的價(jià)格是硅的5-10倍。

  成本問(wèn)題主要源于低效的晶體生長(zhǎng)過(guò)程,傳統(tǒng)硅晶圓制作是將多晶硅在1500℃左右融化后,將籽晶放入其中邊勻速旋轉(zhuǎn)邊向上提拉形成約2m的硅錠,再進(jìn)行切割、倒角、拋光、蝕刻、退火等操作,然后形成晶圓。而SiC晶錠的制作比硅低效很多,普遍采用PVT 法,將固態(tài) SiC加熱至2500℃升華后,在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)晶而成。

  SiC晶圓的尺寸迭代與硅相比仍處于早期階段,目前Cree、ST等主流廠商都已經(jīng)量產(chǎn)6英寸晶圓,并同步進(jìn)行8英寸的研發(fā),計(jì)劃最早于2022年量產(chǎn)8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達(dá)到6英寸的1.8倍,但同時(shí)也面臨著缺陷密度變高等難題。

  不過(guò),2022年有望成為SiC價(jià)格下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn),因?yàn)橹髁骱廊A車(chē)品牌開(kāi)始量產(chǎn)采用SiC方案的車(chē)型,這將大幅提升Cree等襯底廠商8英寸線的產(chǎn)能利用率。到2025年,SiC器件價(jià)格有望下降到當(dāng)前水平的1/4-1/3,結(jié)合電池成本的節(jié)省,SiC的性?xún)r(jià)比將顯著提高。

  中國(guó)市場(chǎng)

  來(lái)自ev sales的數(shù)據(jù)顯示,2019年全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)量為215萬(wàn)輛,中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)量達(dá)到116萬(wàn)輛,占全球比重達(dá)54%。

  據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年、2023年、2025年,中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)量分別為160萬(wàn)輛、320萬(wàn)輛、480萬(wàn)輛。2020-2022年,只有少部分B級(jí)及以上車(chē)型采用SiC基MOSFET,其他車(chē)型采用硅基IGBT,預(yù)計(jì)2023年是8英寸SiC襯底技術(shù)商業(yè)化初步成熟之年,屆時(shí),相當(dāng)數(shù)量的B級(jí)及以上車(chē)型將采用SiC基MOSFET,A級(jí)及以下車(chē)型仍使用硅基IGBT。SiC基 MOSFET成本每年降低2%。

  據(jù)中信建投證券估計(jì),到2025年,中國(guó)新能源汽車(chē)用功率器件市場(chǎng)規(guī)模在100億元以上,其中硅基IGBT逾70億元,SiC基MOSFET近40億元。

  受益于混動(dòng)和新能源汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(zhǎng),以及新能源雙積分政策推動(dòng),國(guó)內(nèi)汽車(chē)功率半導(dǎo)體將保持旺盛的市場(chǎng)需求。中長(zhǎng)期來(lái)看,SiC基MOSFET發(fā)展?jié)摿薮?,值得期待?/p>

  

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