在今天的汽車市場,SiC已經(jīng)成為最具活力的技術之一,設計導入機會很多,其滲透率正在快速增長。那么,在EV/HEV系統(tǒng)中,SiC的最大應用場景在哪里?BEV被認為是汽車電氣化的終極目標,因此意味著可持續(xù)的商機。而且其中的牽引逆變器、蓄電池和電動機是體現(xiàn)不同主機廠車輛技術性能的三個關鍵區(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)開始加快了進入汽車行業(yè)的腳步。電動汽車包括三種功率轉換器:主逆變器、DC-DC轉換器和OBC(車載充電器),其中主逆變器功率級別最高,因此也是最需要使用SiC來提升效率的應用,其中功率半導體器件最多,所以是最大的細分市場。

最大對手是硅IGBT

今天的SiC正經(jīng)歷硅IGBT技術所走過的歷程。1986年,IGBT首次商業(yè)化發(fā)布,之后一發(fā)不可收拾,經(jīng)過不斷改進和發(fā)展,創(chuàng)新器件層出不窮。今天,得益于硅成熟的基礎設施和工藝,除了性能改進外,逐步向12英寸硅晶圓的過渡,令硅IGBT的成本進一步降低,所以SiC等寬禁帶半導體面對的對手仍然后勁十足。

不過,SiC MOSFET在更高頻率和溫度下運行的特性更勝一籌,是進入1200V級別功率器件的理想選擇,但其高于硅的制造成本,加上IGBT技術已很成熟,讓最新型的IGBT在市場上仍能立于不敗之地,可以在標準化和廣泛采用方面更進一步。

從技術角度看,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。

但有一點可以肯定,SiC MOSFET在高溫下導通電阻非常低,結合其在所有溫度范圍內都具有比同類硅IGBT更好的開關性能,如果輔以先進的創(chuàng)新封裝,既可以簡化汽車電力系統(tǒng)的熱設計,也可以實現(xiàn)更高效、緊湊和輕量的系統(tǒng)。

電動汽車SiC商用時代開啟

本世紀初,SiC器件開始商業(yè)化應用。20年來,它已從國防軍工等不計成本的高端市場走進尋常市場應用。隨著越來越多的公司開發(fā)SiC器件,其發(fā)展勢頭日益迅猛。在汽車領域,作為顛覆性技術的SiC將為電動汽車應用帶來創(chuàng)新和最新的商業(yè)機會。

事實上,SiC的汽車商用早在2018年即已開始。第一個采用SiC器件封裝解決方案的主機廠是特斯拉。當時,Model 3逆變器搭載了意法半導體(ST)的SiC功率模塊,這是SiC功率模塊在電動汽車中的首次商用。

電動汽車首款商用SiC模塊

ST為特斯拉打造的逆變器由24個1合1功率模塊組成,模塊封裝在Pin Fin散熱片上。每個模塊包含兩個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,降低傳導損耗和開關損耗。

同年,英飛凌也推出了第一個雙面冷卻IGBT模塊FF400R07A01E3,當然它還是硅器件;三菱電機的第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計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的頭部半導體公司都加持了SiC,并從市場獲得了很好的回報。

當時,在積極立法的推動下,減少二氧化碳排放已成為未來的主旋律。主機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的二氧化碳排放量,從而避免沉重的經(jīng)濟處罰。此前很長一段時間,標準逆變器功率模塊集成的是硅IGBT,但在電動汽車中,發(fā)動機艙的空間非常有限,很難容納控制電動汽車牽引電機的功率控制單元(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溫和更高的開關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爭者。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。為實現(xiàn)這一目標,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)結構來有效地冷卻功率半導體芯片,同時降低互連電感,提高器件的可靠性。

未來SiC模塊市場將加速攀升

根據(jù)Yole最近發(fā)布的《2021年電動汽車功率電子產品報告》預計,到2026年,電動汽車主逆變器市場將達195億美元,占整個電動汽車/混合動力汽車(EV/HEV)轉換器市場的67%,復合年增長率為25．9%。在功率半導體市場,IGBT和SiC模塊之間的技術角逐的序幕已經(jīng)拉開,而到2026年后者的價值將會翻三番。

xEV半導體功率器件市場預測

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