电动汽车市场的蓬勃发展是SiC高速扩产背后的驱动力之一,尤其是电动车的主驱逆变器业务。随着汽车制造商对更高能效和续航能力的追求,如何通过SiC、IGBT和MOSFET等多类型的产品组合有效缓解电动汽车“里程焦虑”,正成为相关企业孜孜以求的目标。

车规级碳化硅(SiC)功率器件的大规模应用是目前汽车行业最火热的话题之一,也是安森美(onsemi)公司在过去一年里努力发展的重要方向。凭借端到端的供应能力、差异化的技术、宽广的产品阵容和资本效益型的投资,安森美正成为该领域冉冉升起的明星企业。

持续抢占碳化硅市场

这是包括安森美在内很多头部大厂的不二选择。

为此,早在2021年11月,安森美就宣布收购SiC晶圆衬底供应商GTAT,旨在增强自身SiC的供应能力。而在更早之前的2019年,安森美还与科锐(CREE)签署了SiC晶圆多年期供应协议。

此外,在投资扩产政策的支持下,2022年8月,安森美位于美国新罕布什尔州哈德逊的SiC工厂落成,该基地将使安森美到2022年底的SiC晶圆产能同比增加五倍;9月,安森美宣布扩建位于捷克共和国Roznov的SiC工厂,预计在未来两年内,这一扩建将使该基地的SiC产能提高16倍。2023年9月,安森美宣布其位于韩国富川的先进碳化硅超大型制造工厂的扩建工程完工,晶圆厂每年将能生产超过一百万片200mm SiC晶圆。

得益于此,过去两年里,安森美在SiC衬底产能、裸芯片产能、封装产能、以及新产品发布四大关键领域,分别实现了10倍、12倍、4倍和3倍的增长。

电动汽车市场的蓬勃发展是SiC高速扩产背后的驱动力之一,尤其是电动车的主驱逆变器业务,因为更高的功率密度使汽车变得更加轻量化,充电速度也更快。安森美电源方案事业部汽车主驱方案部门产品总监Jonathan Liao提供的数据显示,2023年全球有40%的新能源汽车来自中国,到2030年全球预计会有1.5亿台新能源汽车上路行驶,这一数字无疑是惊人的。

为什么是碳化硅?

作为新材料的SiC,与传统硅材料相比,有哪些特性?从物理特性来看,SiC与硅材料的电子迁移率相差不大,但其禁带宽度、击穿电压、热导率和电子迁移速度分别是硅材料的3倍、8倍、4倍和2倍。同时,高达9.5的莫氏硬度也高出硅材料50%。这意味着基于碳化硅材料的功率半导体具有高耐压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性,非常适合制造很多大功率汽车电子器件,例如车载充电器(OBC)、降压转换器和主驱逆变器。

事实也的确如此。无论是在低压400V平台,还是在高压800V平台,碳化硅器件都能为电动汽车带来显著的效率提升。不过,Liao也指出,尽管碳化硅器件可以工作在更高的结温,具有更快的开关速度和耐压能力,但这些特性对芯片设计、驱动优化、电路保护、模块封装以及系统集成都提出了特别的挑战。此外,应用碳化硅材料的终端产品在长期可靠性方面的评估和认证仍然具有相当的技术难点。

“我们目前看到的一个明显趋势,是随着汽车制造商对更高能效和续航能力的追求,整车厂在接下来的两三年里会发布更多搭载800V平台的车型,对SiC功率器件的需求会进一步增加。”Liao说,尽管这两年800V平台车型的供应链,包括电池、逆变器、线束等产品还不是很成熟,但在中国市场,这种现状会很快得到改变。

在谈及新能源汽车电力驱动系统跨域集成话题时,安森美电源方案事业部副总裁及汽车主驱方案部门总经理Bret Zahn指出,产品跨域集成如多合一正成为关键技术趋势,电驱6合1/7合1集成产品快速涌现的同时,留给逆变器的空间越来越小,但对输出功率、集成尺寸、封装技术和成本的要求却丝毫没有减少。

他认为,这恰恰是安森美的优势所在——“我们拥有SiC垂直整合方面丰富的历史经验,这一点是毫无疑问的,从SiC晶锭生长、晶圆、衬底、外延,再到器件制造、封装,‘一条龙’的生产模式能够最终确保为终端用户提供充足且可靠的产品供应,无论他们需要何种性能的功率模块。”在安森美内部,这也被称之为“From powder to power”(从粉末到能量),是公司深耕垂直整合链条的最佳写照。

安森美前进到了哪里?

安森美在裸芯片性能、差异化封装创新、模块设计领域具备的独特优势,包括第三代平面栅结构碳化硅器件、在沟槽栅结构方面的探索、以及通过封装的不断迭代来适配不同的应用需求等。

具体而言,目前,安森美碳化硅功率器件包括SiC MOSFET、SiC二极管、以及全SiC和混合SiC模块三类,并采用差异化的压铸模封装。SiC工艺平台已从M1的方形元胞(Square Cell)结构、M2的六边形元胞(Hex Cell)结构迭代到M3的条形元胞(Strip Cell)结构,在导通电阻、开关损耗、反向恢复损耗以及短路时间等关键性能指标上均有不错的表现,同时实现最优的成本。

功率模块及先进封装方面,通过采用诸如银烧结、压铸模双面水冷等技术,安森美实现了高效率、高功率密度的功率模块(包括硅基模块和SiC模块),用于车载充电器、主驱、DC-DC转换器等,优化能源使用,延长电池寿命,并确保车辆电气系统的稳定运行。创新的Top Cool MOSFET将散热焊盘移至顶部,这样散热器可以直接焊接到器件上,不仅改善了MOSFET的散热,还可以在PCB的下侧布置元件,从而提高功率密度并简化设计。

以VE-Trac Dual为例,这是安森美专为插电式混合动力车(PHEV)、完全混合动力车(HEV)、纯电池车(BEV)和燃料电池(FCEV)电动车而设计的电源模块,并针对牵引逆变器的应用进行了优化,实现了许多创新,包括双面冷却,使其具有高功率密度和小尺寸。

逆变器在电力传动系统起着关键作用,相当于内燃机中的燃油喷射系统,直接影响电动车的整体能效以及每次充电可达到的行驶里程。安森美通过开发VE-Trac Dual,将有望在更广泛的电动车中实现更高的能效。

根据规划,安森美主驱电源封装技术将在2023年中从双面间接水冷过渡到直接水冷模式,预计到2023年底会实现双面直接水冷,2024年中进一步优化成为双面直接水冷+方案,核心目的是为了不断降低器件热阻。

此外,为了最大程度节省电力电子工程师的时间和成本,安森美还推出了针对EliteSiC系列及应用的Elite Power Simulator在线仿真工具和PLECS模型自助生成工具,使工程师在开发周期的早期阶段,通过对复杂电力电子应用进行系统级仿真,就能获得有价值的参考信息,适用于软/硬开关应用、边界建模和自定义寄生环境。

2024年碳化硅市场会怎样?

“车载应用是SiC市场的重要驱动力,尤其是电动汽车和混合动力汽车的普及,预计2024年车载SiC市场将继续保持强劲的增长态势。”Zahn表示,2024年SiC市场不太可能出现供大于求的现象,但由于主驱产品对质量、电流输出能力以及稳定供货的要求比较高,所以市场上可以做碳化硅模块的公司还不是很多,能真正将产品用于主驱逆变器上的就更少。

总体来看,向200mm SiC晶圆的发展会成为趋势,这将加快电气化进程,促进规模经济,降低SiC器件成本,推动其在车载应用中的更广泛采用。同时,为了确保供应稳定性和应对潜在的供应链风险,汽车制造商和SiC供应商应加强合作,包括签订长期供货协议和投资扩产项目。

除此之外,电动汽车对高效、可靠的电源管理需求极高,包括主驱逆变器、车载充电器、DC-DC转换器等。这些系统都需要高性能的电源管理芯片来优化能源使用、延长电池寿命并确保系统的稳定性。电动车的电动机控制需要高效的电机驱动芯片,以实现精确的速度控制、扭矩管理和能效优化。

Zahn表示,面向中国,安森美会通过签署长期供应协议确保稳定可靠的供应,并通过和客户共建联合技术应用实验室来推动创新和产业升级。据透露,目前在中国,安森美有15家联合实验室,通过这种方式,双方能够在项目早期的产品设计阶段就展开合作,共同解决技术挑战,确保差异化产品内嵌到客户的路线图中。同时,考虑到生态系统在过去两三年里经历了供应的短缺和供应链的中断,通过长期供货协议,安森美与客户之间就可以形成多年供货的保证,这是一个双赢的安排。

今年1月,安森美就宣布和中国理想汽车(Li Auto)签订长期供货协议,理想汽车将在其下一代800V高压纯电车型中采用安森美高性能EliteSiC 1200V裸芯片,并继续在其未来车型中集成安森美800万像素高性能图像传感器。与一级供应商(Tier 1)汇川联合动力的合作也是代表性案例之一,长期以来,安森美通过提供高性能和高稳定性的IGBT、碳化硅器件和模块组合,助力汇川联合动力取得最佳业绩。

“面对快速变化的汽车市场,安森美和整车厂伙伴不能一直沿用传统汽车产业的思考和评估方式,需要适应消费者在汽车购买和租赁方面不断变化的消费习惯,以及快速迭代的产品设计周期,并在生产良率、尺寸、质量、价格等多重要素间找到平衡。”Zahn强调说。

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