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SiC与GaN器件抢上EV当“老大”

时间:2020-05-09 作者:Anthea Chuang 阅读:
随着宽禁带器件在电动车市场的机会大增,未来SiC与GaN在电动车市场是否发生短兵相接的情况,或各拥山头?
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碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)同属宽禁带(WBG)半导体一员,各有所长亦各有缺点。然而,由于SiC与GaN都有机会改善电动车最昂贵的电池组相关电子器件材料的问题,进一步降低电池组开发技术问题;再加上,为提升电力转换效率,包括数据中心服务器、轻混合动力车(MHEV)动力系统朝向48V迈进,更使得SiC与GaN器件身价水涨船高,各家电源相关器件供货商也纷纷投入。ye7EETC-电子工程专辑

现阶段,SiC在车用领域已获得大量导入,惟该器件成本较高,短期内在电动车领域仍以高阶市场为主;GaN则主要是在LED,并可望在中低功率领域,替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件,尤其是800V以内,GaN都具备相当大的应用潜力。ye7EETC-电子工程专辑

随着宽禁带器件在电动车市场的机会大增,未来SiC与GaN在电动车市场是否发生短兵相接的情况,或各拥山头?ye7EETC-电子工程专辑

宽禁带器件在EV领域的新契机

针对宽禁带半导体何以能够获得市场的重视,并逐步开始席卷各应用市场,已有许多业界专家提出看法。EE Times Europe编辑、EEWeb主编Maurizio Di Paolo Emilio针对宽禁带半导体器件特性撰写了许多文章,他曾指出,以功率半导体领域来说,宽禁带半导体可以让功率半导体实现高质量、可靠性等必须目标;在设计方面也能让功率半导体提高效率与功率密度,并同时最小化成本。ye7EETC-电子工程专辑

另外,在高工作频率成为目前功率半导体设计最大目标与最大挑战的同时,更凸显宽禁带半导体器件的“难能可贵”。ye7EETC-电子工程专辑

总的来说,宽禁带半导体材料能耐高压、高电流与高温,还具备高能源转换、高频运作等特性,因此,宽禁带半导体在许多应用中已开始成为新宠儿。包括5G射频前端、电信基础设施、微波射频、数据中心电源、服务器;消费性电子的无线充电、快速充电电源配接器,以及电动车动力与其他系统…等。ye7EETC-电子工程专辑

其中,电动车由于主动力与各子系统的运作需仰赖电力,因此更是宽禁带器件可大显身手的领域。强茂电子(Panjit)资深营销经理Kevin Lee指出,在需要较高崩溃电压的系统上,宽禁带器件,特别是SiC,比硅(Si)器件有更多的优势,包括较好的效率,并能带来较高的功率密度;在系统层面上,则有助于减少电动车的尺寸和重量,以及延长驾驶里程和电池容量。因此,宽禁带半导体的重要成员—SiC与GaN,现阶段在电动车市场的发展又是如何?ye7EETC-电子工程专辑

现阶段SiC与GaN“领地”差距仍大

电动车电源相关系统大致可区分为动力马达驱动与电池系统,而电动车的电力系统又可拆成车载(on-board)和车外(off-board)充电系统。这些应用区块目前都可以看到已有SiC与GaN相关器件进驻,不过,SiC和GaN被导入的速度仍有较大的差距。ye7EETC-电子工程专辑

意法半导体(STMicroelectronics)亚太区功率器件技术营销经理陈文聪表示,电动车中的动力马达驱动在应用上会有较大的冲击电流,依照目前的制程技术来看,SiC较具优势;另一方面,电池系统则包含了车载电池充电单元、D2D转换器(converter)等应用,且这些应用持续朝高频、高密度功率发展,此时,GaN则有较多切入机会。ye7EETC-电子工程专辑

Rohm认为,GaN器件目前运用在电动车的趋势还不是很明显,而SiC因相对成熟,未来在电动车的电力转换是被看好的,尤其在车载充电设备(OBC)及牵引逆变器(Traction Inverter)这两块。ye7EETC-电子工程专辑

车载系统有多数的高电压系统,如马达驱动电路(牵引逆变器),车载高电压电池充电电路(如OBC)和低电压电池充电电路(如DC/DC转换器)。Lee解释,在马达驱动电路和车载充电电路上使用崩溃电压高于650V的SiC器件会比使用硅器件多出多重好处,像是较高的电流密度、较快的开关和能在更高温下运作。对电动车系统而言,这些好处能让效率透过更小更轻的系统改善,也能有更好的信赖性;低电压电池充电电路这类的应用则是适合使用GaN器件来改善效率。ye7EETC-电子工程专辑

而车外充电系统的部分,电动车充电桩是将电动车高压电池充电的主要系统。对于电动车充电桩来说,整体系统的价格比功率密度还要重要,因此对于宽禁带器件的需求相对比较少。Lee进一步表示,这是因为系统价格是决定充电桩是否能在市场上广泛架设的主要因素,因此对于系统的轻巧性就不是那么的要求。尽管如此,高阶系统领域仍持续尝试着增加电动车充电桩的功率密度,以加快充电的速度。ye7EETC-电子工程专辑

不过,长期来看,硅仍会是汽车产业采用的主流技术。英飞凌科技(Infineon)汽车电子事业部(大中华区)市场经理高金萍说明,现阶段各产业对SiC的需求成长快速,电动车将会是SiC应用的主要市场区块。英飞凌预期至2025年,汽车电子功率器件区块采用SiC技术的比重将超过20%,而GaN器件在各类电动车(xEV)市场,如纯电动车(BEV)、混合动力车(HEV)…等的渗透率在未来几年仍占极少数。即使目前GaN在电动车的应用上,相对来说成熟度仍不足,不过,待其克服技术以及商用上的挑战后,48V DC/DC可望在中长期成为GaN一个有潜力的应用领域。ye7EETC-电子工程专辑

优劣不同 SiC及GaN将各据舞台

先从SiC与GaN各自的优缺点来看。GaN是利用在硅基板上长晶,因此具有成本优势,但技术成熟度与制程良率还需更进一步的提升;反观SiC具备较佳的技术成熟度,因此市场正迅速成长,且在xEV市场的应用也日益广泛。ye7EETC-电子工程专辑

唯独成本仍是宽禁带半导体的“痛”。陈文聪指出,GaN技术主要是以硅晶圆做为基底,较容易在大尺寸的晶圆上生产,长期来说会有成本优势。相对的,SiC的晶圆则会有较高的成本。不过,宽禁带器件相较于传统硅基器件有较好的Rds(on)*area,透过新制程朝降低Rds(on)*area亦可进一步达到成本降低,以及提升效能的目标。ye7EETC-电子工程专辑

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至2023年,xEV数量将大幅成长。ye7EETC-电子工程专辑

(数据源:IHS Markit、英飞凌科技)ye7EETC-电子工程专辑

相较于硅器件,宽禁带器件的开发历史相对短得多。也因此SiC基板密度程度的缺陷还有很大的改善空间,而且其成本还未合理到能驱使SiC普及。不仅如此,SiC和GaN在闸氧化层(gate oxide)质量上有常见的可靠度问题,和临界电压(Vth)的不稳定。ye7EETC-电子工程专辑

Lee认为,要在系统中使用这些器件,应施加负驱动电压以使设备稳定关闭,这样会让系统工程师在设计驱动电路时成为一种负担。再者,对于高功率器件而言,磊晶层是必要的结构,但现阶段尚未出现价格竞争力的好质量磊芯片。然而,SiC和GaN的制程技术稳定度在持续优化中,将可望改善其成本结构和良率。ye7EETC-电子工程专辑

目前电动车主要是200~450V的电池/动力系统,有些高阶车款或大型车更有达到800V的电池/动力系统。陈文聪指出,48V动力系统主要是“Light Hybrid Car with BSG system”,并非纯电动车,就意法半导体的观察,200~450V的电池/动力系统,除了马达驱动系统,以长远角度来说,GaN会相对看好;若是800V的电池/动力系统则都会是SiC的天下。ye7EETC-电子工程专辑

从各种适合的应用来看,SiC与GaN有部分电压等级和频率是重迭的。一般而言,SiC有机会在许多应用中补充硅解决方案的不足,并实现新的解决方案。SiC主要针对600V~3.3kV (1.2kV适用于xEV市场)高压高频的应用;而GaN则可望为未来的电力电子开辟新的前景,适用于100V~600V中低电压的高频应用。ye7EETC-电子工程专辑

Lee解释,虽然生长GaN EPI的成本较SiC材料低一些,但相较硅产品而言整体价格仍是非常昂贵。GaN FET目前的困难点在于无法达到更高的崩溃电压,像800V或1,200V,这些电压是广泛使用在电动车驱动逆变器上。也因为如此,直到目前为止,若要设计较高崩溃电压的电动车,SiC MOSFET会是较合适的器件选择;崩溃电压低于600V时,GaN FET的开关和传导效率远优于SiC MOSFET,因此车载充电器和电动车系统中的低电压充电器会是比较合适GaN FET的应用产品。ye7EETC-电子工程专辑

至于,MHEV电池系统朝向48V迈进,是否也提供宽禁带半导体新契机?高金萍认为,针对低压和高压不同的系统架构,xEV市场未来将出现几个趋势,例如MHEV 48V、全混合动力车FHEV/插电式混合动力车(PHEV),以及纯电动车等,也就是说,48V系统将是其中的潜力应用之一。ye7EETC-电子工程专辑

48V轻混合动力系统是内燃机车辆和电动车的技术桥梁。Lee认为,在48V DC/DC转换器中采用GaN器件势必会带来更好的效率,但随着最新的中压MOSFET已发展到了其技术极限,因此用宽禁带器件而带来的效率改善将不再显著。且值得注意的是,要48V系统的制造商使用高成本的宽禁带器件会变成一种负担,因为MHEV的发展重点,本就是聚焦在系统的高性价比。ye7EETC-电子工程专辑

Rohm则认为,48V MHEV不管在电力转或电压都相对比一般HEV或纯电动车小很多,所以SiC或GaN器件难以发挥优势,所以机会不大。ye7EETC-电子工程专辑

高金萍总结,SiC与GaN虽皆为宽禁带半导体,其特性却有所不同,针对xEV市场未来的发展方向,两者将各有其适合的应用范围。SiC适用于电池电压300V以上的高压系统,特别是需求更高开关频率的应用,如车载充电器,或是在部分负载时需求更佳效率的应用,如长程纯电动车的主逆变器;而GaN功率器件则适用于像是48V系统等较低的系统电压。ye7EETC-电子工程专辑

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xEV中的三大电源模块。ye7EETC-电子工程专辑

(图片来源:意法半导体)ye7EETC-电子工程专辑

由此可见,即便SiC及GaN在某些应用与电压范围会有些许竞争,但SiC的优势会在特高压的产品(>900V),而GaN在低电压的产品则有性能与成本的优势。未来,两者不至短兵相接,而是各有所适。ye7EETC-电子工程专辑

不仅电动车 宽禁带器件前景看俏

除了电动车市场,需高频、高效率,以及高功率密度的功率转换应用都将是SiC和GaN的应用市场,有些应用市场导入宽禁带半导体的速度甚至已超前电动车领域…ye7EETC-电子工程专辑

责编:Yvonne Gengye7EETC-电子工程专辑

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