在今天的汽車市場(chǎng),SiC已經(jīng)成為最具活力的技術(shù)之一,設(shè)計(jì)導(dǎo)入機(jī)會(huì)很多,其滲透率正在快速增長(zhǎng)。那么,在EV/HEV系統(tǒng)中,SiC的最大應(yīng)用場(chǎng)景在哪里?BEV被認(rèn)為是汽車電氣化的終極目標(biāo),因此意味著可持續(xù)的商機(jī)。而且其中的牽引逆變器、蓄電池和電動(dòng)機(jī)是體現(xiàn)不同主機(jī)廠車輛技術(shù)性能的三個(gè)關(guān)鍵區(qū)別因素。

文︱立厷

剛剛過去的2020年,功率電子行業(yè)的明星莫過于SiC(碳化硅)開始加快了進(jìn)入汽車行業(yè)的腳步。電動(dòng)汽車包括三種功率轉(zhuǎn)換器:主逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和OBC(車載充電器),其中主逆變器功率級(jí)別最高,因此也是最需要使用SiC來提升效率的應(yīng)用,其中功率半導(dǎo)體器件最多,所以是最大的細(xì)分市場(chǎng)。

最大對(duì)手是硅IGBT

今天的SiC正經(jīng)歷硅IGBT技術(shù)所走過的歷程。1986年,IGBT首次商業(yè)化發(fā)布,之后一發(fā)不可收拾,經(jīng)過不斷改進(jìn)和發(fā)展,創(chuàng)新器件層出不窮。今天,得益于硅成熟的基礎(chǔ)設(shè)施和工藝,除了性能改進(jìn)外,逐步向12英寸硅晶圓的過渡,令硅IGBT的成本進(jìn)一步降低,所以SiC等寬禁帶半導(dǎo)體面對(duì)的對(duì)手仍然后勁十足。

不過,SiC MOSFET在更高頻率和溫度下運(yùn)行的特性更勝一籌,是進(jìn)入1200V級(jí)別功率器件的理想選擇,但其高于硅的制造成本,加上IGBT技術(shù)已很成熟,讓最新型的IGBT在市場(chǎng)上仍能立于不敗之地,可以在標(biāo)準(zhǔn)化和廣泛采用方面更進(jìn)一步。

從技術(shù)角度看,SiC MOSFET功率模塊面臨的問題和IGBT一樣,模塊中不匹配的CTE(熱膨脹系數(shù))容易使各層相互分離,引發(fā)器件失效。SiC的問題更為嚴(yán)重,主要是材料密度引起的熱耗散,因此需要有合適的封裝和系統(tǒng)集成創(chuàng)新方案。

但有一點(diǎn)可以肯定,SiC MOSFET在高溫下導(dǎo)通電阻非常低,結(jié)合其在所有溫度范圍內(nèi)都具有比同類硅IGBT更好的開關(guān)性能,如果輔以先進(jìn)的創(chuàng)新封裝,既可以簡(jiǎn)化汽車電力系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì),也可以實(shí)現(xiàn)更高效、緊湊和輕量的系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車SiC商用時(shí)代開啟

本世紀(jì)初,SiC器件開始商業(yè)化應(yīng)用。20年來,它已從國(guó)防軍工等不計(jì)成本的高端市場(chǎng)走進(jìn)尋常市場(chǎng)應(yīng)用。隨著越來越多的公司開發(fā)SiC器件,其發(fā)展勢(shì)頭日益迅猛。在汽車領(lǐng)域,作為顛覆性技術(shù)的SiC將為電動(dòng)汽車應(yīng)用帶來創(chuàng)新和最新的商業(yè)機(jī)會(huì)。

事實(shí)上,SiC的汽車商用早在2018年即已開始。第一個(gè)采用SiC器件封裝解決方案的主機(jī)廠是特斯拉。當(dāng)時(shí),Model 3逆變器搭載了意法半導(dǎo)體(ST)的SiC功率模塊,這是SiC功率模塊在電動(dòng)汽車中的首次商用。

電動(dòng)汽車首款商用SiC模塊

ST為特斯拉打造的逆變器由24個(gè)1合1功率模塊組成,模塊封裝在Pin Fin散熱片上。每個(gè)模塊包含兩個(gè)采用片芯連接解決方案的SiC MOSFET,并通過銅夾直接連接在端子上,以利用銅基板散熱,降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

同年,英飛凌也推出了第一個(gè)雙面冷卻IGBT模塊FF400R07A01E3,當(dāng)然它還是硅器件;三菱電機(jī)的第7代IGBT J1系列650V大功率汽車功率模塊也是如此。這些硅基模塊在封裝設(shè)計(jì)和材料解決方案上與ST的SiC MOSFET差別很大。從那以后,研發(fā)SiC MOSFET的頭部半導(dǎo)體公司都加持了SiC,并從市場(chǎng)獲得了很好的回報(bào)。

當(dāng)時(shí),在積極立法的推動(dòng)下,減少二氧化碳排放已成為未來的主旋律。主機(jī)廠已將汽車電氣化作為一種非常有效的方式來減少其車隊(duì)的二氧化碳排放量,從而避免沉重的經(jīng)濟(jì)處罰。此前很長(zhǎng)一段時(shí)間,標(biāo)準(zhǔn)逆變器功率模塊集成的是硅IGBT,但在電動(dòng)汽車中,發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間非常有限,很難容納控制電動(dòng)汽車牽引電機(jī)的功率控制單元(PCU)。因此,PCU必須有更高的功率密度,體積更小。

由于SiC器件可以在更高的結(jié)溫和更高的開關(guān)頻率下以更小的芯片尺寸工作,成為了高壓工作條件下硅的有力競(jìng)爭(zhēng)者。然而,高功率密度需要更好的散熱能力,要用新的封裝來提高器件性能。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),制造商們開發(fā)了不同的解決方案,例如減少引線鍵合或使用模壓成型(overmolded)結(jié)構(gòu)來有效地冷卻功率半導(dǎo)體芯片,同時(shí)降低互連電感,提高器件的可靠性。

未來SiC模塊市場(chǎng)將加速攀升

根據(jù)Yole最近發(fā)布的《2021年電動(dòng)汽車功率電子產(chǎn)品報(bào)告》預(yù)計(jì),到2026年,電動(dòng)汽車主逆變器市場(chǎng)將達(dá)195億美元,占整個(gè)電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車(EV/HEV)轉(zhuǎn)換器市場(chǎng)的67%,復(fù)合年增長(zhǎng)率為25．9%。在功率半導(dǎo)體市場(chǎng),IGBT和SiC模塊之間的技術(shù)角逐的序幕已經(jīng)拉開,而到2026年后者的價(jià)值將會(huì)翻三番。

xEV半導(dǎo)體功率器件市場(chǎng)預(yù)測(cè)

實(shí)際上,目前SiC模塊的成本仍然是650V IGBT模塊三倍左右,但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,并逐步采用8英寸晶圓,以及汽車用戶應(yīng)用批量的增加,兩者價(jià)格的差距將日漸縮小。