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IGBT在前,SiC在后,新动力汽车怎样选择?

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沾恩于电动车、5G底子办法等范畴需求提拔,SiC(碳化硅)功率元件正稳步浸透到环球市场。据专业机构统计,2018年环球已有凌驾20家的汽车厂商在OBC中利用了SiC肖特基二极管或SiC MOSFET,将来SiC功率半导体在OBC市场中也无望以CAGR 44%的速率发展至2023年。

据理解,除了特斯拉最新的Model 3车型接纳SiC MOSFET来提拔电驱体系的事情服从及充电服从外,欧洲的350KW超等充电站也正在加大SiC器件的接纳。而在国际,比亚迪、北汽新动力等车企也在加码SiC器件在电动汽车范畴的使用,次要以汽车充电桩场景使用为主。

第三代半导体质料崛起


 

科技总是不停前进的,半导体质料开展至今履历了三个阶段:
 

第一代半导体被称为“元素半导体”,典范如硅基和锗基半导体。此中,硅基半导体技能使用比力广、技能比力成熟。停止现在,环球半导体99%以上的半导体芯片和器件都因此硅片为底子质料消费出来的。

在1950年时分,半导体质料却以锗为主导,次要使用于高压、低频及中功率晶体管中,但它的缺陷也极为分明,那便是耐低温和抗辐射功能较差。

到了1960年,0.75寸(20mm)单晶硅片的呈现,让锗基半导体缺陷被无穷缩小的同时,硅基半导体也彻底代替了锗基半导体的市场。

进入21世纪后,通讯技能的飞速开展,让GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)等半导体质料成为新的市场需求,这也是第二代半导体质料,被称为“化合物半导体”。

由于关于电子器件利用条件的要求增高,要顺应高频、大功率、耐低温、抗辐射等情况,以是第三代宽禁带半导体质料迎来了新的开展。

固然,第三代半导体质料也是化合物半导体,次要包罗SiC、GaN等,至于为何被称为宽禁带半导体质料,次要是由于其禁带宽度大于或小于2.3eV(电子伏特)。

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图片泉源:网站

同时,由于第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速率、高热导率、搞电子密度、高迁徙率等特点,因而也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等财产的“新发起机”。

新动力汽车带给SiC的机会


 

固然同为第三代半导体质料,但由于SiC和GaN的功能差别,以是使用的场景也存在差别化。
 

GaN的市场使用倾向高频小电力范畴,会合在1000V以下;而SiC 实用于1200V 以上的低温大电力范畴,两者的使用范畴掩盖了新动力汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通讯射频等大少数具有宽广开展远景的新兴使用市场。

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 图片泉源:ROHM

 

与GaN 相比,SiC热导率是GaN 的三倍以上,在低温使用范畴更有上风;同时SiC单晶的制备技能绝对更成熟,以是SiC 功率器件的品种远多于GaN。 

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图片泉源:英飞凌

SiC电力电子器件次要包罗功率二极管和三极管(晶体管、开关管)。SiC功率器件可使电力电子体系的功率、温度、频率、抗辐射才能、服从和牢靠性倍增,带来体积、分量以及本钱的大幅减低。SiC功率器件使用范畴可以按电压分别:

高压使用(600 V至1.2kV):高端消耗范畴(如游戏控制台、等离子和液晶电视等)、贸易使用范畴(如条记本电脑、固态照明、电子镇流器等)以及其他范畴(如医疗、电信、国防等);

中压使用(1.2kV至1.7kV):电动汽车/混淆电动汽车(EV/HEV)、太阳能光伏逆变器、不中断电源(UPS)以及产业电机驱动(交换驱动AC Drive)等;

高压使用(2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上):风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

以 SiC 为质料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件将来无望在汽车电子范畴代替 Si。比拟现在市场主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET,可以发明 SiC MOSFET 产品较Si基产品可以大幅增加Die Size,且体现功能更好。但现在最大拦阻仍在于本钱,依据 yoledevelopment测算,单片本钱SiC比Si基产品超过跨过 7-8 倍。

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图片泉源:ROHM
 

SiC近期财产化进度减速,下游财产链开端扩展范围和锁定货源。整理环球SiC制造龙头Cree通告发明,近期碳化硅财产化进度开端减速,ST、英飞凌等中游厂商开端锁定下游。

2018年2月,Cree与英飞凌签署了1亿美元的临时供给协议,为其光伏逆变器、呆板人、充电底子办法、产业电源、牵引和变速驱动器等产品提供 SiC 晶圆。

2018年10月,Cree宣布了一项代价8500万美元的临时协议,将为一家未发布称号的“抢先电力设置装备摆设公司”消费和供给 SiC 晶圆。

2019年1月,Cree与ST签订一项为期多年的2.5亿美元范围的消费供给协议,Wolfspeed 将会向ST供给150mm SiC晶圆。

据研讨机构IHS展望,到2025年SiC功率半导体的市场范围无望到达30亿美元。在将来的10年内,SiC 器件将开端大范畴地使用于产业及电动汽车范畴。该市场增加的次要驱动要素是由于电源供给和逆变器使用越来越多地利用 SiC 器件。

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数据泉源:YoleDevelopment、国盛证券研讨所

SiC会代替IGBT吗?


 

ag旗舰厅晓得,车勤奋率模块(以后的主流是IGBT)决议了车用电驱动体系的要害功能,同时占电机逆变器本钱的40%以上,是中心部件。
 

现在,IGBT约占电机驱动器本钱的三分之一,而电机驱动器约占整车本钱的15~20%,也便是说,IGBT占整车本钱的5~7%。2018年,中国新动力汽车销量按125万辆盘算的话,均匀每辆车约莫斲丧450美元的IGBT,一切车共需斲丧约5.6亿美元的IGBT。

但SiC的呈现,让业内子士捉住了新的时机。乃至有业者以为,将来,SiC将会彻底代替IGBT。那么,那么,市场为什么会云云喜爱SiC呢?

编者整理局部业者的见解,总结了以下三点:

1、SiC器件的事情结温在200℃以上,事情频率在100kHz以上,耐压可达20kV,这些功能都优于传统硅器件;

2、SiC器件体积可减小到IGBT零件的1/3-1/5,分量可减小到40-60%;

3、SiC器件还可以提拔体系的服从,进一步进步性价比和牢靠性。

在电动车的差别工况下,SiC器件与IGBT的功能比拟状况如下图所示,差别工况下,SiC的功耗低落了60-80%,服从提拔了1-3%,SiC的上风可见一斑。

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图片泉源:PSIC 2019论坛

全体来看,SiC想要代替IGBT,还必要办理良率、本钱及牢靠性等多方面困难。换句话说,假如SiC的性价比比不上IGBT,那么想要取而代之,大概性很小。

固然,SiC的将来远景照旧可以等待的,终究它的全体功能远超IGBT太多,假如大范围用于新动力汽车后,将会极大水平提拔其充电服从、续航里程及加重整车分量(最分明的例子即是特斯拉Model3)。至于代替IGBT只不外是工夫题目,现在的市场形态是,SiC会渐渐代替IGBT在新动力汽车范畴的局部市场,这种趋向还会随着SiC范围化量产渐渐加大。

SiC大范围商用面对哪些难点?


 

从财产链角度看,碳化硅包罗单晶衬底、内涵片、器件设计、器件制造等关键,但现在环球碳化硅市场根本被在外洋企业所把持。
 

在环球市场中,单晶衬底企业次要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等,内涵片企业次要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等,器件方面,环球大局部市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等多数企业朋分。

由于碳化硅财产关键如芯片功能与质料、布局设计、制造工艺之间的联系关系性较强,不少企业仍选择接纳IDM形式,如罗姆和Cree均掩盖了碳化硅衬底、内涵片、器件、模组全财产链关键,此中Cree占有衬底市场约40%份额、器件市场约23%份额。

现实上,现在整个碳化硅财产尚未进入成熟期,但国际厂商已完成多个关键范围量产技能瓶颈的打破,并已技痒[jì yǎng]、行将掀起一场大战,而国际碳化硅财产仍处于起步阶段,与国际程度仍存在差距。

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图片泉源:YoleDevelopment、国盛证券研讨所

就现在来看,SiC芯片现在面对的应战次要包罗:

1、制品率低,本钱高。SiC在效能上较IGBT优秀,但制形成本偏高,由于SiC在磊晶制造上有质料应力上的纷歧致性,形成晶圆尺寸缩小时,会有磊晶层接合面应力拉伸极限的题目,招致晶格破坏影响良率,故晶圆尺寸主流仍维持4寸或6寸,无法获得大尺寸晶圆本钱上风。

2、SiC MOSFET短少临时牢靠性数据,这一点还必要不停实行与改良。

很分明的表现便是,SiC芯片载流才能低,而本钱过高,划一级另外SiC MOSFET芯片,其本钱是硅基IGBT的8-12倍。功耗方面,SiC MOSFET先于硅基IGBT守旧,后于IGBT关断,而IGBT可以完成ZVS(零电压开关),可大幅低落消耗。

总体来看,硅基IGBT的电气特征靠近SiC MOSFET芯片的90%,而本钱则是SiC MOSFET的25%,由于硅廉价又好用,因而,SiC和硅混淆开关模块会有很大的市场使用远景,而纯SiC芯片及器件要想在汽车功率体系当中遍及,还必要工夫。

写在最初


 

全体而言,由于制形成本与产能等要素,初期SiC功率元件在新动力汽车市场的浸透率不高。但随着技能的不停提拔,预估2023年前后市场会有明显发展,对IDM大厂而言,继续拓展产品线多元化使用、低落制形成本并提拔产能,将是拓展市场的重点。
 

在新动力汽车强势需求的推进下,提早结构SiC已成为局势所趋。国际企业需经过自主创新打破技能壁垒,掌握自主的中心技能,在完成国产化的底子上,借助开展新动力汽车的西风将国产SiC推向天下。


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