第三代半导体SiC功率器件加速新能源汽车产品升级
2020-08-27 08:11
   作为第三代半导体材料之一,碳化硅(SiC)具有耐高压、耐高温、能量损耗低而耐高频运转的特色,因而运用SiC功率器材可以大幅下降终端用户本钱开销。现阶段,各厂商都对新一代SiC功率器材寄予厚望,等待完结功率模块的小型化。     近来,SiC功率半导体模块及运用解决方案供给商忱芯科技(UniSiC)宣告完结数千万元人民币天使轮融资,融资资金将用于产品研制、量产等方面。现在,SiC功率器材首要用于车载设备。跟着新动力轿车职业的蓬勃开展,SiC功率器材将在其间扮演越来越重要的人物,有望为新动力轿车职业带来新的革新。     SiC功率器材大幅进步动力转化功率     近年来,功率器材逐步成为世人注目的“焦点”。比亚迪功率器材产品总监杨钦耀告知《我国电子报》记者,功率器材是电力电子的“CPU”,是特高压电网、高速列车、新动力轿车充电桩及工业变频器和伺服器的中心芯片,也是各体系电源模块的要害器材,起到变频、变流和变压效果。     SiC功率器材作为一种新式功率器材,在新动力轿车的运用中具有极大优势。据悉,SiC材料具有耐高压、耐高温、高功率、高频率、抗辐射等优异的物理和化学特性,可以极大地进步现有动力的转化功率。新动力轿车体系架构中涉及到功率半导体运用的组件包含三大部分:电机驱动器、车载充电器(OBC)/非车载充电桩和电源转化体系(车载DC/DC),SiC功率器材凭仗其独有的优势在其间发挥着重要的效果。     在电机驱动范畴,运用SiC器材可进步控制器功率、功率密度以及开关频率,经过下降开关损耗和简化电路的热处理体系来下降本钱、分量、巨细及功率逆变器的复杂性。有关材料显现,在电机驱动器中选用SiC器材可显着下降损耗。具体来说,当运用SiC器材时,SiCBJT构成的逆变器损耗下降了53%;当频率升高时,损耗还会进一步下降。据了解,开关频率为15kHz时,SiCBJT逆变器的损耗会下降67%。     在车载充电器和非车载充电桩中运用SiC功率器材可进步电池充电器的作业频率,完结充电体系的高效化、小型化,并进步充电体系的可靠性。据悉,充电模块的作业环境具有高频、高压和高温的特色,与Si基器材比较,SiC器材的特性更适合这样的作业环境,因而SiC器材在充电模块中大有可为。     在电源转化体系中运用SiC功率器材可缩小电路的尺度,下降分量,减缩无源器材的本钱,在满意冷却体系的需求的一起大大下降整个体系的分量和体积。据了解,在电动轿车中,引擎部分需求冷却体系坚持其温度在105℃,而功率变换器部分则要求冷却体系使其温度在70℃左右。为了使两部分正常作业,有必要选用两套冷却体系以满意不同的需求,这无疑大大增加了电动轿车冷却体系的体积。由于SiC功率器材的作业结温现已到达361℃,因而在这种状况下选用SiC功率器材可以将引擎冷却体系与功率变换器体系合二为一,大大减小功率变换器的体积。     许多企业参加SiC功率器材赛道     根据SiC功率器材在电机驱动器、充电模块和电源转化体系的优异体现,不少企业都对SiC功率器材青睐有加。     现阶段,许多半导体厂商纷繁参加研制SiC功率器材的赛道。西安电子科技大学教授张玉明告知记者,当时越来越多的厂商正在对SiC器材加大投入。国外闻名厂商如ROHM、Cree、ST和Infineon等都已参加布局其间,国内也有不少厂商连续推出SiC功率器材产品,如泰科天润、底子半导体和杨杰科技等。     一些新动力轿车企业也在测验布局SiC功率器材,助力新动力轿车职业的开展。张玉明表明,全球规划内,作为首先选用Si-C功率器材的新动力轿车企业,特斯拉发挥了很重要的演示效果。与此一起,张玉明指出,现在国内干流的车厂也都在新动力轿车职业积极地运用SiC功率器材,如比亚迪、奇瑞、北汽和中车等。但由于国内新动力轿车企业对SiC功率器材仍是有些慎重,所以在这方面的投入力度不行,开展的速度还需求加速。     SiC器材的许多功能优于Si产品,然而其本钱却比Si产品高,这使得SiC器材现在商场浸透率极低。这种看似不太达观的状况在张玉明看来却是十分正常的。他以为,SiC功率器材的规划化运用可以下降其本钱,但现阶段该功率器材作为一种新式产品,其规划化的开展仍需时刻。“现在SiC器材本钱较高,这是一个十分正常的工作,就好像Si器材前期开展时的状况相同。我以为运用端要加大选用SiC功率器材的力度,规划效应是下降本钱的一个很要害的要素。咱们要给SiC功率器材更多的时机。”他说。     除规划效应外,怎么从技能的视点下降SiC功率器材的本钱?英飞凌大中华区轿车电子事业部区域商场司理张发达指出,SiC晶圆出产工艺的改进是下降SiC功率器材本钱的底子办法。他表明,尽管结合Si的本钱优势以及SiC的功能优势来研制混合型功率器材将会扩展SiC功率器材的运用规划,扩展其运用规划,然后下降其本钱,但要想从底子上下降该功率器材的本钱,就要加大对SiC晶圆技能的研讨投入,比方使SiC晶圆向8英寸方向开展,或让SiC晶圆的成长更安稳。但这并不是一件简单的事。“SiC晶圆的成长周期长,是Si晶圆的3~5倍。SiC晶圆的硬度较高,因而加工难度比Si晶圆大。”张发达说。     张玉明还告知记者,现阶段除了SiC晶圆的尺度和质量的进步,制作工艺栅界面调控技能和成品率也需求进一步进步。     新基建加速SiC功率器材规划化运用     SiC功率器材在新动力轿车的运用尚处于前期阶段,因而其商场规划的扩展还有较大空间。张发达告知记者,到2025年,SiC功率器材在新动力车上的运用将占到约20%的商场比例。“新动力轿车为了取得更长的行进路程,其电池容量会越来越大,因而需求更大功率的OBC(三相大功率OBC)来加速充电速度,缩短充电时刻。三相大功率OBC需求可以支撑更快速开关的功率器材,而SiCMOSFET是可以满意此需求的首选器材。跟着SiC器材的大规划运用,其本钱将会下降,因而其在电机驱动器商场所占的比例也将进一步扩展。”他说。     作为新基建的重要内容之一,我国新动力轿车职业的开展也可以给功率半导体器材带来新的开展机会。杨钦耀表明,功率半导体器材被广泛运用于新基建各个范畴,尤其是在特高压、新动力轿车充电桩、轨道交通及工业互联网方面更是起到了中心支撑效果。     作为新式功率半导体器材的代表之一,在新基建的助推下,SiC功率器材或可被大规划推行,其商场前景宽广,未来可期。除了新基建的助推效果,国外新动力轿车企业对SiC功率器材的首先运用也可为我国该工业的开展供给“学习之路”。     特斯拉的Model3是第一家选用SiCMOSFET来做逆变器的车厂。在运用SiC功率器材后,其续航才能明显进步,是宽禁带半导体运用于轿车的又一新的路程碑。     张玉明剖析了特斯拉对SiC功率器材的首先运用可以为国内企业带来的影响。张玉明以为,特斯拉在我国出产会加重我国新动力车商场中的竞赛,但这不一定是件坏事。“特斯拉的推出会对国产新动力轿车发生冲击,因而商场竞赛会加重,会发生竞赛效应。可是换一个视点看,这是好工作,它能加速我国相关工业的追逐和投入,使咱们加速技能的投入和商场的拓宽。”他说。     张玉明还表明,特斯拉在SiC器材的运用方面会对我国自主新动力轿车企业引发极大的演示效应,将因而推进自主新动力车企进一步加速SiC功率器材的运用。
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