SiC与GaN技术在新能源浪潮下的机遇

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随着新能源车(这里包括BEV/PHEV/HEV)的产销量不断增加,功率半导体的需求也直接被带动了。对于功率半导体架构的选择,效率是核心衡量点,所以SiC和GaN就具有明显的优势了。一般来说,这些新型材料的优点可以概括为高频/高压的处理能力、在降低电阻和开关损耗方面效率的改善、由于导热性提高带来的功率和电流密度提高等。
 
新能源车功率半导体的物理特性比较
 
新材料相比硅基技术的优势
 
这些材料特性转化为功率器件甚至整个系统层面后就会带来显著的性能提升,主要如下:
 
可以减少零部件和系统的尺寸大小,但却可以保持与现有技术相当的性能参数。反之亦然,如果系统尺寸大小不变的情况下,性能则会显著改善。
 
系统重量减小,为动力系统提高效率,这就意味着更高续航。同时也说明同样的续航水平可以采用跟小的电池包,进而降低成本。
 
功率转换效率的提升可在续航、寿命和性能方面进一步提升,效率大约可以提高3-4%,从而降低功耗。
 
冷却要求可以相对降低,利用这些宽带隙材料的导热特性及处理高电流负荷的能力,可以实现更高的系统效率、简化热管理要求、提高耐久性和可靠性。
 
当然,这些优点还不足以立刻就替代掉现有的硅基BJT、MOSFET和其它功率器件。通常一种新材料刚开始进入应用时,成本、可靠性和成熟度都是主要考虑因素,而且在市场中实际被广泛采用通常需要10-20年(或更长)的时间。此外,硅基技术仍然具有一些改善空间,这都可能让SiC和GaN等新技术进入新能源车的功率半导体市场产生滞后的作用。
 
硅基技术的改善
 
首先,硅基IGBT、MOSFET和SBD将继续在芯片级进行改进,当这些增量改进与这些器件的较低的成本相结合时,对SiC和GaN等新技术的需求就没那么迫切了。目前硅基技术相关的公司都在努力提高效率并减少开关损耗。
 
其次,封装也是一个考虑因素。硅基技术目前能够提供标准封装,此外如果是保有内部封装技术能力的公司就可以通过实现更好的热性能处理特性实现很高的增值,这又可以提高系统级别(其实这个原则在SiC与GaN技术领域也适用)。目前硅基元件的供应商都在努力通过由改善封装技术提高硅基系统的性能。
 
最后,也有很多公司正在探索临时解决方案,既混合解决方案,分别基于SiC和Si提供性能和成本效益的组合。
 
来自三菱电机的资料
 
SiC与GaN发展的机遇
 
然而,SiC和GaN技术还是引起了业界的很大关注。在新能源车的主逆变器领域,SiC技术在650V和1200V器件中中开始与硅基器件产生了竞争,并且也开始应用到DC-DC和OBC中。2015年,丰田和电装合作在凯美瑞混动版原型上展示了SiC技术。但在实际商业化领域还比较集中在高端车型中,例如,ST为特斯拉Model 3提供的SiC MOSFET。
 
然而,对供应链上游端的供应(主要是晶圆)及相关成本和产量问题的担忧也是一个很大阻碍,因此短期内硅基IGBT、MOSFET和SBD将继续主导新能源车功率半导体领域。但SiC和GaN半导体需求绝对量一定会随着新能源市场的爆发而增加,规模效益又会带来成本下降,所以谁都不敢忽视这一块市场爆发式增长的潜力。
 
而能够提供全套技术就会大大提升竞争力,这从最近像英飞凌、安森美、Rohm和ST等硅基半导体市场领导者的动作中就能看得出来,他们都不断通过内部开发和外部的垂直M&A来完善SiC和GaN业务方面的系统能力。当然,也不排除可能会出现像EPC、GaN Systems、Transphorm和Wolfspeed这类公司来颠覆这个行业。
 
下次有机会深入到电动车动力系统里面,具体看看SiC和GaN在哪些功率电子零部件领域有突破的空间。
 
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