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替代IGBT的碳化硅還面臨著哪些挑戰?

2021-12-22
來源:電子發燒友
關鍵詞: 半導體 IGBT 碳化硅

  隨著汽車電動化趨勢的崛起,2021年新賣出的車輛中,電動汽車已經占據了5%的份額。據統計數據預估,到2030年電動汽車的份額將超過30%,上路的電動汽車數量將達到1500萬輛。

  在汽車電氣化的牽引系統中,主逆變器中的功率模塊也多出了不少需求。首先自然是更大的功率,大功率意味著更大的扭矩。接著是更高的效率,在電池容量有限的情況下,更高的效率意味著更少的損失,等于更長的里程。

  還有就是更高的電壓,目前400V的電池已經成為了主流標配,但800V的系統已經開始冒頭,比如保時捷Taycan和現代IONIQ5等。隨著快充需求的激增,800V的快充方案和800V的電池也即將普及,逆變器也必須要能夠經受住這樣的高壓。

  其次是更低的重量,重量的減少也讓整車重量變輕,降低了電機負載,進而提升續航。最后是更小的體積,以便塞進車軸里,提供更大的車內空間。針對以上需求,業界普遍將碳化硅視為了替代IGBT的下一代方案。

  汽車牽引系統中的碳化硅

  那么在當下汽車的動力系統中,碳化硅靠什么優勢來替代IGBT呢?碳化硅功率模塊是使用碳化硅半導體作為開關的功率模塊,在汽車逆變器中用于高效地轉換電能。首先與硅材料相比,碳化硅的硬度更高,所以更適合燒結工藝,機械完整性更好。

  碳化硅的另一大特質就是高擊穿電壓,在400V朝800V的過渡下,擊穿電壓也必須要加倍。碳化硅的擊穿場強為2500kV/cm,而硅材料只有300kV/cm,這意味碳化硅可以在更低的厚度下實現更高的擊穿電壓。

  接著就是眾所周知的散熱能力,碳化硅的導熱系數是硅的四倍以上,所以在散熱上更快,進而減少電動汽車在散熱上的成本。當然最重要的屬性自然是其禁帶寬度了,碳化硅3.23eV的禁帶寬度帶來了更高的電子遷移率和更低的損失,開關速度也更快。

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  VE-Trac Direct SiC / 安森美

  為了進一步擴展碳化硅在汽車牽引逆變器的應用,安森美推出了全新的900V碳化硅功率模塊VE-Trac Direct SiC,該模塊采用了six-pack的封裝,分為1.7 mΩ和2.2 mΩ 導通電阻的版本。市面上做到如此低電阻的并不多,大概也只有Wolfspeed的CAB760M12HM3之類的功率模塊才能與之對比了,其導通電阻做到了1.33 mΩ。

  在測試仿真中,安森美將VE-Trac Direct SiC與VE-Trac Direct IGBT 820A進行了對比,在使用同樣電池的情況下,碳化硅功率模塊可以提高5%的效率,意味著續航可以提升5%。這樣的效率提升也用來降低成本,如果里程為固定目標的話,使用碳化硅功率模塊可以減小電池的容量,進而減少5%的電池成本。最后,如果使用1.7 mΩ這樣的低阻碳化硅功率模塊的話,與820A IGBT相比,可以將功率提升29%。

  在其碳化硅產品的線上會議中,安森美產品線經理Jonathan Liao對未來碳化硅的產品以及800V電池帶來的優勢發表了自己的見解。首先碳化硅更高的擊穿電壓將進一步促進800V電池的普及,以更低的電流做到同樣的功率,從而減少發熱,而更高電壓的電池將提高車載逆變器的功率密度。

  在汽車層面上,碳化硅實現了更高的電壓、更低的電流和更少的橫截面電纜和連接器,進一步降低汽車重量。此外,碳化硅實現的更高充電功率,比如35kW以上,可以實現在20分鐘內充夠80%的電量。Jonathan Liao也提到,雖然800V的趨勢已經開始顯現,但未來還是高性能的車型會率先采用800V的架構。

  不僅如此,除了凝膠6-pack的模塊外,未來安森美也準備推出轉移模塑的碳化硅模塊。利用先進的互聯技術進一步提升功率密度,甚至可以做到200攝氏度以上的工作溫度,擴展碳化硅模塊的使用場景。

  碳化硅普及的障礙

  那么有了這些優勢,為什么如今汽車逆變器方案中為何沒有普及碳化硅的使用呢? Jonathan Liao給出了5大原因以及碳化硅的現狀。首先就是成本,相信不少了解碳化硅的人都知道碳化硅的價格要高于硅基IGBT,然而Jonathan Liao表示,目前碳化硅的成本固然要更高,但這主要體現在模塊成本上,然而若考慮整車成本,碳化硅的方案成本反而要更低一些。正如上文中提到的,碳化硅可以減少電池上的成本,而整車方案中往往成本最高的部分就是電池。

  接著是供應問題,目前碳化硅材料只有少數幾家廠商提供,比如Wolfspeed、昭和電工和GT Advanced Technologies(GTAT)等。目前不少半導體公司的碳化硅產品,仍是靠與這些供應商的合約來供應。隨著安森美于今年收購GTAT后,安森美有了自己生產碳化硅襯底和外延的能力,其晶圓廠也開始準備從150mm朝200mm轉移。

  其次是技術成熟度,Jonathan Liao指出與IGBT相比,碳化硅確實技術成熟度比不上后者。但從該技術的發展速度、研發投入和實際應用來看,無論是碳化硅半導體廠商還是汽車廠商,都認為碳化硅技術已經可以用于汽車牽引系統。

  還有就是實現難度,因為這是一個快速開關裝置,所以必須對原先的設計做出一些挑戰。最后是封裝問題,目前碳化硅方案為了普及采用了與IGBT相近的封裝方案,隨著后續發展,也會慢慢轉向更加先進的封裝方案,提高壽命、散熱乃至性能上的表現。

  小結

  固然碳化硅替代IGBT還面臨著不少挑戰,但從半導體巨頭堅定投入的決心來看,這一寬禁帶半導體很快就會迎來在汽車市場的普及。ST、Wolfspeed、英飛凌、羅姆和安森美等國外廠商的激烈競爭下,國內的碳化硅企業要想冒頭也并非一件易事。


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