功率电子明星碳化硅加速进入汽车市场
2021-04-15 08:03
 在今日的轿车商场,SiC现已成为最具生机的技能之一,规划导入时机许多,其浸透率正在快速增长。那么,在EV/HEV体系中,SiC的最大运用场景在哪里?BEV被认为是轿车电气化的终极方针,因而意味着可继续的商机。并且其间的牵引逆变器、蓄电池和电动机是表现不同主机厂车辆技能功能的三个要害差异要素。

  刚刚曩昔的2020年,功率电子职业的明星莫过于SiC(碳化硅)开端加快了进入轿车职业的脚步。电动轿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),其间主逆变器功率等级最高,因而也是最需求运用SiC来进步功率的运用,其间功率半导体器材最多,所以是最大的细分商场。

  最大对手是硅IGBT

  今日的SiC正阅历硅IGBT技能所走过的进程。1986年,IGBT初次商业化发布,之后一发不可收拾,经过不断改善和开展,立异器材层出不穷。今日,得益于硅老练的基础设施和工艺,除了功能改善外,逐渐向12英寸硅晶圆的过渡,令硅IGBT的本钱进一步下降,所以SiC等宽禁带半导体面对的对手依然潜力十足。

  不过,SiC MOSFET在更高频率和温度下运转的特性更胜一筹,是进入1200V等级功率器材的抱负挑选,但其高于硅的制作本钱,加上IGBT技能已很老练,让最新型的IGBT在商场上仍能立于不败之地,能够在规范化和广泛选用方面更进一步。

  从技能视点看,SiC MOSFET功率模块面对的问题和IGBT相同,模块中不匹配的CTE(热膨胀系数)简单使各层彼此别离,引发器材失效。SiC的问题更为严重,主要是资料密度引起的热耗散,因而需求有适宜的封装和体系集成立异计划。

  但有一点能够必定,SiC MOSFET在高温下导通电阻十分低,结合其在所有温度范围内都具有比同类硅IGBT更好的开关功能,假如辅以先进的立异封装,既能够简化轿车电力体系的热规划,也能够完成更高效、紧凑和轻量的体系。

  电动轿车SiC商用年代敞开

  本世纪初,SiC器材开端商业化运用。20年来,它已从国防军工等不计本钱的高端商场走进寻常商场运用。跟着越来越多的公司开发SiC器材,其开展势头日益迅猛。在轿车范畴,作为颠覆性技能的SiC将为电动轿车运用带来立异和最新的商业时机。

  事实上,SiC的轿车商用早在2018年即已开端。第一个选用SiC器材封装解决计划的主机厂是特斯拉。其时,Model 3逆变器搭载了意法半导体(ST)的SiC功率模块,这是SiC功率模块在电动轿车中的初次商用。

  电动轿车首款商用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。每个模块包括两个选用片芯衔接解决计划的SiC MOSFET,并经过铜夹直接衔接在端子上,以运用铜基板散热,下降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,当然它仍是硅器材;三菱电机的第7代IGBT J1系列650V大功率轿车功率模块也是如此。这些硅基模块在封装规划和资料解决计划上与ST的SiC MOSFET不同很大。从那以后,研制SiC MOSFET的头部半导体公司都加持了SiC,并从商场获得了很好的报答。

  其时,在活跃立法的推进下,削减二氧化碳排放已成为未来的主旋律。主机厂已将轿车电气化作为一种十分有用的方法来削减其车队的二氧化碳排放量,然后防止沉重的经济处分。此前很长一段时间,规范逆变器功率模块集成的是硅IGBT,但在电动轿车中,发动机舱的空间十分有限,很难包容操控电动轿车牵引电机的功率操控单元(PCU)。因而,PCU必须有更高的功率密度,体积更小。

  因为SiC器材能够在更高的结温文更高的开关频率下以更小的芯片尺寸作业,成为了高压作业条件下硅的有力竞争者。但是,高功率密度需求更好的散热才能,要用新的封装来进步器材功能。为完成这一方针,制作商们开发了不同的解决计划,例如削减引线键合或运用模压成型(overmolded)结构来有用地冷却功率半导体芯片,一起下降互连电感,进步器材的可靠性。

  未来SiC模块商场将加快攀升

  依据Yole最近发布的《2021年电动轿车功率电子产品陈述》估计,到2026年,电动轿车主逆变器商场将达195亿美元,占整个电动轿车/混合动力轿车(EV/HEV)转换器商场的67%,复合年增长率为25.9%。在功率半导体商场,IGBT和SiC模块之间的技能比赛的前奏现已摆开,而到2026年后者的价值将会翻三番。

  xEV半导体功率器材商场预测

  实际上,现在SiC模块的本钱依然是650V IGBT模块三倍左右,但跟着生产规模的扩展,并逐渐选用8英寸晶圆,以及轿车用户运用批量的添加,两者价格的距离将日渐缩小。

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