碳化硅(SiC)在各种汽车芯片中的应用越来越多,已经达到了一个临界点,大多数芯片制造商现在认为它是一个相对安全的赌注,于是掀起了一场争夺战,将这种宽带隙技术推向主流。


SiC在一些汽车应用中有着巨大的前景,特别是在电动车领域。与Si相比,它可以延长充电行驶里程,减少充电时间,并以较低的电池容量和较轻的重量提供相同的行驶里程来促进整体效率。现在的挑战是降低这些设备的制造成本,这就是为什么SiC工厂正在从6英寸(150mm)过度到8英寸(200mm)晶圆。


PowerAmerica Manufacturing USA研究所的执行董事兼CTO Victor Veliadis说:“这些突出的优势正在使电动车中大规模采用SiC,由于规模经济,这带来了SiC制造成本的降低。”该研究所由美国能源部成立,旨在加速SiC和GaN的采用。“这是SiC制造商关注的主要量产应用领域,正在推动着他们扩大生产。这也是许多新玩家进入SiC领域的原因。”


据PowerAmerica的北卡州立大学电气工程教授Veliadis说,SiC正被应用于几个电动车系统中,包括逆变器、DC-DC和车载充电器。该技术还可以减少充电时间。


他说:“高压SiC功率器件也是实现快充基础设施的关键。SiC在高压下有很高的效率,能够实现快速充电,可与传统燃油车加油的时间相当。”


Yole Développement的复合半导体和新兴基材团队首席分析师Ezgi Dogmus指出,继2017年特斯拉在其主逆变器中采用SiC后,汽车已成为SiC的杀手级应用。Dogmus说:“从那时起,我们见证了几乎所有车厂和Tier1都对SiC产生了兴趣。比亚迪、丰田和现代已经选择了SiC,奥迪、通用、蔚来和大众预计也将跟进。随着SiC解决方案的订单大幅提高,我们预测2020年至2026年期间的前景会很光明。事实上,汽车市场无疑是最主要的驱动力,因此,2026年汽车应用将占据SiC器件市场总份额的60%以上。”


伴随着电动车的应用,Dogmus也看到了在充电基础设施中采用SiC的趋势,它提供了更高的效率和更小的系统尺寸。此外,预计2019-2026年期间,SiC在铁路、电机和光伏等应用的年复合增长率将达到两位数。

 

图1:SiC市场细分和增长预测(来源:Yole Développement)

 

 

SiC vs. GaN

与标准的Si产品以及其他宽带隙半导体如氮化镓(GaN)相比,SiC在功率电子领域有很大的优势。


Dogmus说:“Si MOSFET已经经历了增量增长和数十年的改进,正在接近其理论极限。从历史上看,这些MOSFET产品已经足以满足其目标应用。同时,创新的宽带隙材料,如SiC和GaN,表现出超过Si基器件的性能特性。凭借高击穿电压、高开关速度和小的外形尺寸,宽带隙材料是补充功率市场产业的有希望的候选材料。此外,它们可以减少每个系统的无源元件数量,从而使设计更加紧凑。然而,与硅相比,这些材料仍然昂贵。”


其他人也同意。英飞凌的高级总监兼高压转换产品营销主管Robert Hermann表示,从更高的角度来看,Si、SiC和GaN的定位是很简单的。与Si相比,SiC在混合高温、高功率和更高的开关频率方面最强。这与主逆变器和车载充电的衍生系统成本的降低相辅相成。”


GaN是另一种主要的宽带隙技术,具有更高的效率和改进的频率特性。Hermann说:“与SiC相比,这两个因素将功率密度提升到了更高的水平。然而,为了释放这种优点,需要实现更大的系统变化。另外,还需要提供互补的半导体和无源产品。”

 

 

 

图2:每种技术的优势(来源:英飞凌)


Yole公司的Dogmus表示,就目前而言,SiC在电动车应用和大功率系统的逆变器方面真正的竞争对手是Si。“对于SiC来说,在更高的电压下,其成本/性能比是有吸引力的。例如,在800V的电动车中1200V的SiC器件将是一个重要的市场机会。同时,GaN将继续渗透到手机应用的快充市场。事实上,在较低的功率下,与SiC相比,GaN有更好的成本效益。预计GaN还将渗透到数据通信和电信电源市场,用于低于3kW的系统,以及电动车应用中的OBC和DC-DC。”

 

 

 

 

图3:SiC的时间轴。(来源:英飞凌)


SiC的优势超过了阻力并非所有的测试和检验过程都已完全理顺,而且汽车应用中零缺陷的要求对任何新材料来说都是一个高标准。但许多半导体制造商认为这些问题可以相对较快地解决,并非常看好SiC芯片在电动车中的前景。


Rohm的技术营销经理Ming Su说:“虽然SiC功率二极管已经商业化多年,但SiC MOSFET是改变游戏规则的因素,正在迅速改变SiC功率电子的市场格局。近期市场增长的主要驱动力之一是电动车动力系统。自从几年前SiC MOSFET技术首次用于电动车逆变器以来,SiC相对于Si器件在能源效率和系统尺寸缩小方面的优势已经被汽车行业广泛认可。”


Su表示,目前,几乎所有的OEM和电动车初创公司都已经采用了SiC,或正处于产品设计阶段,在其电动车逆变器和车载充电器中使用SiC。“SiC器件也已经在燃料电池汽车中应用。其他使用SiC的汽车电源转换器包括将电压降至12V或48V的DC-DC转换器,以及无线充电器。”


英飞凌的Hermann说:“在欧盟和其他地区制定的减排法规的推动下,电动车现在正经历着巨大的繁荣。当然人们想在保护环境的同时,还想享受有趣的驾驶体验。这意味着电动车的产量会增加,从小众市场进入未来的大众市场,并对OEM厂商施加更多的价格压力。在这种情况下,SiC扮演着非常重要的角色,因为它支持电动车动力应用的各种趋势。”


这反过来又为OEM厂商开辟了一长串的新选择,并为芯片制造商提供了同样多的机会。


Hermann说:“SiC相对于IGBT的一个技术优势是更高的能源效率。这一点可以很好地体现在主逆变器中,几个百分点可以直接转化为更高的续航或更小的电池。随着功率损失的减少,热管理得到了简化。这意味着,尽管与IGBT相比,纯功率半导体成本较高,但SiC大大降低了系统成本。对于电动车的购买者来说,这个公式很简单,以更低的成本获得更高的续航里程。”


SiC的效率还可以转化为更大的内部空间。他说:“SiC可以通过另一个应用,即车载充电,直接贡献更多的空间。为了增加续航能力,电池容量增加。这意味着车载充电的功率水平需要提高,否则就不可能完成过夜充。此外,还出现了有越来越多的使用场景需要双向充电,如车辆到电网。如果没有设计和技术措施,车载充电器会越来越大,占用汽车内的现有空间。使用SiC,不仅效率提高,而且可以实现更高的开关频率。这可以采用更小的被动元件并减少冷却工作。事实上,我们相信,与传统的Si基解决方案相比,SiC的功率密度可以提高一倍,可以实现雄心勃勃的设计目标,并减少车载充电器的尺寸。”


车厂正在转向800V直流母线,以增加车辆和各种应用的可用功率,而不扩大电子连接器的尺寸,这将给电动车增加不必要的重量和尺寸。在这些应用中,SiC比Si更有效,可以减少产生多余热量的损失。


ST的功率晶体管MACRO部门的项目经理Filippo DiGiovanni说:“由于这种电压,额定电压为1200V的SiC MOSFET是合适的设计选择,而不是使用650V,这对于400V的电池和系统来说是更合适的选择。这意味着配备SiC的逆变器本质上更高效,这使得给定容量电池的续航更高。另外,SiC的冷却要求不那么严格,也是另一个大的优点。GaN晶体管(或HEMT,High-Electron-Mobility-Transistors)也可以使用,因为它们在更高电压的应用中具有效率优势,如电动车的牵引逆变器,但SiC比GaN更有效,因为GaN具有横向结构,不像SiC MOSFET那样在高电压下那么有优势。”


OnSemi的副总裁兼电动车牵引功率模块业务部总经理Bret Zahn补充道:“SiC是下一代半导体的一种关键材料,它在SiC功率开关器件中提供了技术优势,极大地提高了电动车、充电和能源基础设施的系统效率。SiC功率模块是一个受欢迎的要求,但SiC裸片部分也在快速增长。”

 

 

更高的电压,更低的总成本

 

快充转向更高的电压架构对电动车有广泛的影响。

 

Veliadis说:“在高电压下,与Si的同类产品相比,SiC的效率优势变得更加明显。”今天,几乎所有的电动车公司的设计都是400V,这是Si非常有竞争力的领域。通过采用更高的电压,例如800-1000V,可以实现更快的充电速度,同时由于电线更细,重量减轻,封装更好,因为更高的电压意味着在相同的功率水平下电流安培更小。

 

这有助于削减成本,使整个系统更有效率。他说:“电动车客户希望看到与内燃机产品相当的价格。要做到这一点需要做更多的工作。关于电动车中SiC与Si的定价问题,今天SiC器件的较高成本被SiC优势带来的整体系统简化所抵消,包括更高的频率操作和冷却要求的降低。此外,更高的SiC效率减少了电池的数量,而电池是电动车的一个重要成本。所以总的来说,SiC在电动车中的应用是有竞争力的,可以比Si解决方案更便宜。在电动车中大规模采用SiC的主要障碍是对可靠性和坚固性的担忧,以及缺乏训练有素的劳动力来实施这些技术。”

 

他补充说,由于快充需要更高的电压架构,以较低的电流达到相同的功率(从而降低重量、体积和布线成本),SiC的价值主张将变得更加明显。

 

为了推动这些技术的发展,部分是为了提高效率,OEM厂商正在变得更加垂直整合。这反过来又给Tier1和Tier2带来了进一步降低成本的压力。这也有助于确保一个不间断的供应链,从最初的晶圆到制造的设备,以满足高需求。

 

这正在引发SiC领域的投资浪潮,包括一些并购活动。Veliadis说:“行业收购是一种趋势。对于新来者来说,要想有效和及时地与在SiC技术方面有悠久历史的公司竞争,收购那些与他们的专长互补的SiC公司会带来协同效应并加快上市速度。”

 

例如,8月,onsemi宣布它已达成最终协议,收购GT Advanced Technologies,该公司是一家SiC晶体生长技术和衬底制造商。

 

onsemi的Zahn说:“400V今天很普遍,但从2024年以后开始生产的800V电池系统的需求越来越大。这些系统可能会成为标准,因为它们通过提高密度和效率实现了每次充电的的续航里程,而不会造成汽车内部和充电站的配电损耗或电缆尺寸的增加。与Si技术相比,SiC的优势在800V总线所需的1200V额定电压下更加明显。SiC可以在更高的开关频率下工作,并可以在受限于封装的更高温度下工作。考虑到特斯拉对SiC的成功推动以及对更高续航能力的需求,许多车厂正急切地推动实施SiC电驱系统。”

 

结论

政府要求减排的压力,加上电动车的日益普及,正在将SiC以及其他宽带隙材料推向前沿。不过,所有这些都需要时间,到目前为止,Sic和GaN是在一些汽车应用中取代Si的主要候选材料。

 

在产量、缺陷和各种制造工艺方面,任何新材料都要付出代价,但SiC有足够的优势,车厂开始将其设计到电动车的各种部件中。随着汽车行业将这一技术推向主流,给定价也带来了压力,并解决工厂中可能出现的任何问题,SiC的使用预计只会增长。

 

[参考文章]

The Silicon Carbide Race Begins — Patrick Waurzyniak