功率电子明星碳化硅加速进入汽车市场

在今天的汽车市场,SiC已经成为最具活力的技术之一,设计导入机会很多,其渗透率正在快速增长。那么,在EV/HEV系统中,SiC的最大应用场景在哪里?BEV被认为是汽车电气化的终极目标,因此意味着可持续的商机。而且其中的牵引逆变器、蓄电池和电动机是体现不同主机厂车辆技术性能的三个关键区别因素。

文︱立厷

刚刚过去的2020年,功率电子行业的明星莫过于SiC(碳化硅)开始加快了进入汽车行业的脚步。电动汽车包括三种功率转换器:主逆变器、DC-DC转换器和OBC(车载充电器),其中主逆变器功率级别最高,因此也是最需要使用SiC来提升效率的应用,其中功率半导体器件最多,所以是最大的细分市场。

最大对手是硅IGBT

今天的SiC正经历硅IGBT技术所走过的历程。1986年,IGBT首次商业化发布,之后一发不可收拾,经过不断改进和发展,创新器件层出不穷。今天,得益于硅成熟的基础设施和工艺,除了性能改进外,逐步向12英寸硅晶圆的过渡,令硅IGBT的成本进一步降低,所以SiC等宽禁带半导体面对的对手仍然后劲十足。

不过,SiC MOSFET在更高频率和温度下运行的特性更胜一筹,是进入1200V级别功率器件的理想选择,但其高于硅的制造成本,加上IGBT技术已很成熟,让最新型的IGBT在市场上仍能立于不败之地,可以在标准化和广泛采用方面更进一步。

从技术角度看,SiC MOSFET功率模块面临的问题和IGBT一样,模块中不匹配的CTE(热膨胀系数)容易使各层相互分离,引发器件失效。SiC的问题更为严重,主要是材料密度引起的热耗散,因此需要有合适的封装和系统集成创新方案。

但有一点可以肯定,SiC MOSFET在高温下导通电阻非常低,结合其在所有温度范围内都具有比同类硅IGBT更好的开关性能,如果辅以先进的创新封装,既可以简化汽车电力系统的热设计,也可以实现更高效、紧凑和轻量的系统。

电动汽车SiC商用时代开启

本世纪初,SiC器件开始商业化应用。20年来,它已从国防军工等不计成本的高端市场走进寻常市场应用。随着越来越多的公司开发SiC器件,其发展势头日益迅猛。在汽车领域,作为颠覆性技术的SiC将为电动汽车应用带来创新和最新的商业机会。

事实上,SiC的汽车商用早在2018年即已开始。第一个采用SiC器件封装解决方案的主机厂是特斯拉。当时,Model 3逆变器搭载了意法半导体(ST)的SiC功率模块,这是SiC功率模块在电动汽车中的首次商用。

电动汽车首款商用SiC模块

ST为特斯拉打造的逆变器由24个1合1功率模块组成,模块封装在Pin Fin散热片上。每个模块包含两个采用片芯连接解决方案的SiC MOSFET,并通过铜夹直接连接在端子上,以利用铜基板散热,降低传导损耗和开关损耗。

同年,英飞凌也推出了第一个双面冷却IGBT模块FF400R07A01E3,当然它还是硅器件;三菱电机的第7代IGBT J1系列650V大功率汽车功率模块也是如此。这些硅基模块在封装设计和材料解决方案上与ST的SiC MOSFET差别很大。从那以后,研发SiC MOSFET的头部半导体公司都加持了SiC,并从市场获得了很好的回报。

当时,在积极立法的推动下,减少二氧化碳排放已成为未来的主旋律。主机厂已将汽车电气化作为一种非常有效的方式来减少其车队的二氧化碳排放量,从而避免沉重的经济处罚。此前很长一段时间,标准逆变器功率模块集成的是硅IGBT,但在电动汽车中,发动机舱的空间非常有限,很难容纳控制电动汽车牵引电机的功率控制单元(PCU)。因此,PCU必须有更高的功率密度,体积更小。

由于SiC器件可以在更高的结温和更高的开关频率下以更小的芯片尺寸工作,成为了高压工作条件下硅的有力竞争者。然而,高功率密度需要更好的散热能力,要用新的封装来提高器件性能。为实现这一目标,制造商们开发了不同的解决方案,例如减少引线键合或使用模压成型(overmolded)结构来有效地冷却功率半导体芯片,同时降低互连电感,提高器件的可靠性。

未来SiC模块市场将加速攀升

根据Yole最近发布的《2021年电动汽车功率电子产品报告》预计,到2026年,电动汽车主逆变器市场将达195亿美元,占整个电动汽车/混合动力汽车(EV/HEV)转换器市场的67%,复合年增长率为25．9%。在功率半导体市场,IGBT和SiC模块之间的技术角逐的序幕已经拉开,而到2026年后者的价值将会翻三番。

xEV半导体功率器件市场预测

实际上,目前SiC模块的成本仍然是650V IGBT模块三倍左右,但随着生产规模的扩大,并逐步采用8英寸晶圆,以及汽车用户应用批量的增加,两者价格的差距将日渐缩小。