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可进一步提升产品效能 碳化硅器件:电动汽车的“芯”赋能

http://www.ec.hc360.com2020年08月24日11:54 来源:中国汽车报网T|T

    近期,碳化硅(SiC)在汽车行业亮相的几率愈加频繁。无论博世这样的零部件巨头,还是多家第三方外资芯片供应商,抑或比亚迪、斯达半导体等中国企业,都开始加强在这一领域的布局。

    新能源汽车的快速发展,加上与之配套的充电桩建设快马加鞭,成为SiC芯片发展的主要推手。市场研究和战略咨询公司Yole发布的《功率碳化硅(SiC):材料、器件及应用-2019版》报告指出,到2024年,SiC功率半导体市场规模将增至20亿美元,2018~2024年的复合年增长率预计高达29%。其中,汽车市场无疑是重要的驱动因素,其SiC功率半导体份额到2024年有望达到50%。

    ■各大厂商抢占SiC器件高地

    去年以来,车用SiC功率器件领域十分活跃,相关厂商开始争抢市场席位。

    意法半导体是首  家推出车规级SiCMOSFET的半导体厂商,2019年其被雷诺-日产-三菱联盟指定为高能效SiC技术合作伙伴,为新一代电动汽车车载充电器(OBC)提供功率电子器件。面对全球SiC晶圆供货短缺的情况,2019年,意法半导体与Cree、Si-Crystal等多家碳化硅材料供应商签订了长期供货合同,扩大供应产能。同年12月,意法半导体完成对瑞典SiC晶圆制造商Norstel的收购。今年4月召开的媒体沟通会上,意法半导体透露,开发中的SiC半导体解决方案项目达50多个,其中一半涉及汽车。

    博世去年曾透露,2020年将开始在德国生产新一代微芯片,供电动汽车使用。该芯片使用了SiC半导体材料,首批样品将交付潜在的客户群体,并在三年后应用于多款量产电动汽车。根据今年5月外电报道,博世已开始生产SiC汽车芯片。

    今年6月4日,大  陆集团动力总成事业群、汽车电气化供应商纬湃科技与罗姆公司签署了共同开发的合作协议。纬湃科技已开始采用SiC组件,进一步提升运用于电动汽车上的功率电子效率。几天后,臻驱科技(上海)有限公司与罗姆成立“碳化硅技术联合实验室”,致力于进一步加速开发以SiC为中心的创新型电源解决方案。6月17日,罗姆发布了业界先进的第4代低导通电阻SiCMOSFET,其与在不牺牲短路耐受时间的前提下,成功地使导通电阻降低约40%,适用于包括逆变器在内的车载动力总成系统。

    同样是在今年6月,宇通客车宣布,其新能源技术团队正在采用斯达半导体和CREE合作开发的1200VSiC功率模块,开发业界领  先的高效率电机控制系统,共同推进SiC逆变器在新能源客车领域的商业化应用。今年早些时候,来自比亚迪的消息称,首  次应用其“高性能SiCMOSFET电机控制模块”的电动车型“汉”,大幅提升了电机的性能表现,0~100km/h加速仅需3.9秒。

    ■汽车行业将占SiC市场半壁江山

    SiC功率器件为何成为汽车行业“新宠”?博世中国汽车电子市场经理王骏跃介绍称,SiC作为一款新型的第三代半导体材料,在过去几年中受到了越来越多的关注。从物理特性来说,相比于传统的硅基材料,SiC更耐高温,适合高功率、高频率的工作环境;同时在使用过程中,有较高的电子迁移率和较小的能量损耗,可进一步提升工作效率。

    意法半导体功率晶体管部战略市场、创新及重点项目经理FilippoDiGiovanni表示,全球车企正斥巨资开发和推出环保车型,SiC等宽带隙半导体非常适合应对可持续交通运输面临的挑战。与IGBT等传统硅基器件比较,SiCMOSFET在导电性和开关性能方面明显占优,损耗较小,能效更高。对于给定的动力电池组,这些优势可以减少散热限制且延长续驶里程。

    正因如此,在新能源汽车及相关领域,SiC功率器件被逐渐应用于各类逆变器、充电器和直流-直流转换器中,用以替换传统的硅基功率器件。总体来说,碳化硅在汽车行业,尤其新能源汽车领域大有可为,不仅符合未来的发展要求和趋势,还可以降低零部件系统的复杂性,进而减小产品尺寸,同时进一步提高车辆的整体可靠性、稳定性,提升效率,降低能量损耗,提升约6%的续驶里程。这意味着电动汽车可以跑得更远,或配装更小、更轻、更便宜的动力电池行驶同样的距离。

    罗姆相关负责人告诉记者,近半年来SiC的热度之所以持续攀升,主要是因为随着新能源汽车的推广,促进了更高效、更小型、更轻量的电动系统的开发。特别是对驱动中发挥核心作用的主机逆变器系统而言,小型高效化已成为重要课题之一,这就要求供应商进一步改进功率元器件。

    另外,为延长电动汽车续驶里程,动力电池的能量密度和电压不断提高,用户也对缩短充电时间有更迫切的需求。为了解决这些课题,能够实现高耐压和低损耗的SiC功率器件被寄予厚望。

    王骏跃还向记者补充道,从2015年开始,国家“大基金”一期开始投资部分SiC相关的上下游企业。地方政府和民间投资也开始频繁地参与其中。而且,发展半导体已成为国家战略,第三代半导体的研发生产变得越来越重要。他判断,SiC器件首先会在工业领域(如光伏、不间断电源、电力电子)推广;汽车因为有功能安全以及验证的要求,行业广泛共识是其应用稍晚于工业领域。SiC器件2023~2025年将在汽车领域进入高速发展期,主要产品以二极管和MOSFET为主;2025年后进入成熟期,功率模块将成为主要产品(基于销售额),电动汽车及相关领域是SiC器件大的市场之一。

    ■消除技术和成本阻碍才能推广

    不过,据记者了解,业内人士对SiC器件可谓“又爱又恨”。一方面,SiC器件具有高压、高频和高效的优势,给市场带来的机遇远大于挑战;但另一方面,SiC在制造和应用方面又面临很高的技术要求,如何降低使用门槛成为业界热议的话题。

    王骏跃认为,目前阻碍SiC器件量产的原因主要在于两方面,一是价格,一是技术。就价格原因来看,晶圆(Wafer)成本是重要因素,现阶段晶圆成本占功率器件成本的一半左右,全球主要的晶圆供应又集中于少数几家外资公司,订单供不应求。而且,现有晶圆片尺寸偏小(主要是4~6英寸),造成成本居高不下。现在,国内一些公司已开始重视并且加大在晶圆研发和生产方面的投入。

    在技术层面,大多数企业走的是由易到难、逐步发展的道路,从二极管到MOSFET、功率模块,从工业级到汽车级。在这个过程中,它们会遇到各种各样的挑战。目前,SiC汽车级模块发展存在一定的技术瓶颈,比如传统封装用于SiC时,耐久性和可靠性都有待改善。同时,对于不同客户的要求,供应商需要独立设计、测试、验证。此外,汽车级SiC器件要满足AEC-Q101标准,但在现实中客户的需求远远超出这一规定的标准。

    在Filippo看来,晶圆衬底紧缺可能是SiC产品量产的大障碍,而车企的决心也同样重要。“车企对意法半导体SiC产品的关注度越来越高,部分原因是我们的技术优势,部分原因是成功应用SiC器件的电动汽车越来越多。客户明白,高端车必须使用SiC技术才能达到高的性能和能效水平,尤其是对驱动电机逆变器而言。当前市场的发展趋势是将SiC的使用范围下探到中档车上。”他说。

    王骏跃向记者表示,总体来说,对于SiC器件的应用,除了部分“先行者”,其他车企还在评估、尝试阶段。据了解,国内领  先的新能源车企都有了比较明确的SiC器件、模块应用于逆变器和车载充电器的规划和布局。而随着成本进一步降低,技术更加成熟,未来2~3年会有更多采用SiC器件的新车上市。“这既离不开政策刺激和资金扶持,又需要企业不断开展并扩大合作,实现产业融合,挖掘市场需求,目的是降低成本,提高用户接受度。惟有如此,SiC器件在汽车市场才能真正迎来春季。”王骏跃说。

责任编辑:刘婷婷

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