成本是碳化硅导入应用的最大痛点,何以解决?

  19世纪英国诗人、小说家和讽刺作家奥斯卡·王尔德(Oscar Wilde)在其戏剧《少奶奶的扇子》中写道,怀疑论者是那些“知道一切东西的价格,却不知道任何东西的价值”的人,意在讽刺对事物的短视而没有看到大局的人。

  对于当前人们关注的碳化硅(SiC)也是如此,如果你只计算器件本身的价格,而忽略了其他计算方法,不去计算创新的代价,无疑是一种短视的行为,也许要为此付出更大的代价。

  更新换代,SiC并不例外

  新一代半导体开关技术出现得越来越快。下一代宽带隙技术仍处于初级阶段,有望进一步改善许多应用领域的效率、尺寸和成本。虽然,随着碳化硅技术的进步,未来还将面临挑战,例如,晶圆需要更厚,以适应较高的加工温度,从而提高了成本,而一些参数目前只能以牺牲其他参数为代价来改进,但技术终究要发展。

  怎么算是“一代”呢?历史上有着不同的含义。尽管晶体管是在1945年发明的,1970年袖珍计算器才出现;又过了15年,摩托罗拉才卖出了第一部移动电话,从两个发明来看,都让早期采用者的口袋紧张——新东西就是贵。

  今天,一代又一代的技术来去匆匆。5G到了,两年多前6G也开始研究了。半导体功率开关技术也是如此,特别是用SiC和GaN制作的宽带隙器件。SiC已经从5年前的商业起步跃升到今天的第三代,价格已与硅开关相当,特别是在考虑到连锁效益的情况下。

  随着电动汽车、可再生能源和5G等领域的创新步伐不断加快,工程师们越来越多地在寻找新的解决方案,并对技术提出更多的要求,以满足消费者和行业的需求。碳化硅半导体是满足这些需求的优选答案,其本身也在不断改进,以期提供与旧技术相比更具成本竞争力的性能。

  从可有可无到做出改变

  幸运28电子工程师想要两者兼得,既期望元件价格越来越便宜,也需要提升系统的性能,其中免不了有一个复杂的成本效益关系,随着时间推移这个关系在不断变化,而且往往难以量化。

  功率半导体就是这样。在首度商业化时,碳化硅的创新性和较新的颠覆性技术必然很昂贵,尽管认识到了与硅基产品(如IGBT和Si-MOSFET)相比的潜在优势,大多数工程师还是把它放在了“可有可无”的清单上。

  不过,随着碳化硅价格的下降、性能和可靠性的提高,其性能得到改善,可靠性得到了证明,在列表中的地位调高了,现在已被视为现有旧技术器件的替代品和新设计的起点。

  碳化硅的采用取决于应用,所以太阳能和电动汽车工程师成为了早期采用者,在这些领域,提高效率一直是一个高度优先选择,但随着片芯成本的下降、性能的提高、节能价值的提升以及相关元件成本的降低,工程师已没有理由不在更广泛的应用中做出改变了。

  固有优势加上最新进展

  碳化硅的固有优势有很多,如高临界击穿电压、高温操作、具有优良的导通电阻/片芯面积和开关损耗、快速开关等。最近,UnitedSiC采用常关型共源共栅的第三代SiC-FET器件已经更进一步。其中UF系列的最新产品在1200V和650V器件上的导通电阻达到了同类产品最低,分别小于9毫欧和7毫欧。这些器件具有低损耗体二极管效应以及固有的抗过电压和短路的能力,与Si-MOSFET或IGBT一样易于驱动。事实上,其TO-247封装可以替代许多这类器件,实现即时的性能提升。对于新的设计,还有一种低电感、热增强型DFN8x8封装,充分利用了SiC-FET的高频性能。

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  SiC-FET栅极驱动与现有技术兼容,具有优异的栅极?;?/span>

  UnitedSiC工程副总裁Anup Bhalla博士表示:“随着有远见者将用户和环境效益加入到价值方程中,系统节能越来越倾向于采用SiC-FET的设计决策。不过,还有更多的事情要做,如果系统是围绕SiC-FET设计的,开关频率可以提高,而不会显著损害效率,甚至可以消除分立整流二极管和缓冲网络等元件?!?/span>

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  Anup Bhalla博士

  他说,其他相关元件(如散热器、电感器/变压器和电容器)的尺寸、重量和成本也可随之降低。在极端情况下,整个冷却系统本身效率也可以降低,甚至可以节省更多的成本。特别是在电动汽车牵引逆变器应用中,效率的提高是一个良性循环,因为基于碳化硅的逆变器中的元件更小、更轻,所以电池充电的续航里程更长。

  碳化硅技术仍在不断发展,有望获得更好的性能。在下一代中,导通电阻将随着开关损耗进一步下降,额定电压将增加,片芯将进一步缩小,产量提高,从而降低成本。更多的变型和更广泛的封装选择将出现,以适应更高电压和功率等级的应用范围。

  例如,最新的共源共栅超快速(常关型SiC-FET)与IGBT或Si-MOSFET一样易于驱动和使用,但在速度及较低静态和动态损耗方面具有明显的优势。UnitedSiC的1200V和650V器件除了导通电阻低,还利用了低内感和热阻的SiC性能。

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  1200V和650V第三代器件的导通电阻值比较

  Anup Bhalla说,碳化硅的优点从一开始就很明显,它的宽禁带提高了临界击穿电压和额定温度。更好的是,单位面积导通电阻(RdsA)的性能指标比Si-MOSFET高2.5倍,比同电压等级的IGBT高13倍,开关损耗低,因为器件电容低,热导率是硅的10倍。

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  SiC在所有重要方面都优于硅

  这为碳化硅器件开辟了广泛的应用领域,在5G/数据中心等空间受限和节能领域,低损耗是应用的推动力;在电动汽车领域,更高的牵引逆变器效率意味着更小的散热尺寸和成本,以及更长的车辆里程。SiC-FET的特性也使其在其他应用领域,如家用和商用固态断路器、电路?;ど踔料咝圆僮髦芯哂欣硐氲男阅?。所涉及的领域同样广泛,从航空航天到信息技术、工业、家庭和可再生能源,如果没有冷却组件,效率也会更好,而且有助于降低成本、尺寸和环境负担。

  SiC仍处于进化曲线的起点,它还能走多远呢?系统工程师急切地等待着发现,但我们可以根据SiC如何模仿硅器件的发展做出一些预测:

  器件的单元设计(Cell design)将进一步完善导通电阻。其品质因数意味着更小的片芯具有更快的开关和更小的导通电阻;减小的片芯尺寸将直接导致更低的器件电容,这意味着在开关过程中更低的能量损失和更低的栅极驱动损耗;随着越来越多地使用“层叠共源共栅”,额定电压将增加到1700V或更高,可以在几千伏增加电流额定值,由于达到了传统的键合线封装的极限,因此无引线器件将变得普遍,这也将反过来使开关频率做得更高。作为传统设计中IGBT和Si-MOSFET的替代品,TO-247三线和四线封装仍将占有一席之地。随着技术的成熟,可靠性将得到越来越多的证明,随着成品率的提高和片芯尺寸的缩小,成本有望降低。

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  关键SiC开关参数和从今天(蓝色)到明天(橙色)的发展

  降低总体物料清单成本才是实锤

  Cree负责功率半导体器件的人士认为,在所有应用市场,特别是电动汽车和计算机,都能从降低耗电成本和以较低成本提供相同或更高功能所占用的空间中获益——具有竞争力和可持续性地满足市场需求。

  例如,在IT领域,数据中心的电源、散热和占地房产成本均大大超过初始硬件成本。新的能源效率标准(例如80+ Titanium)旨在通过提高系统效率来降低这些成本。但由于在更复杂的拓扑结构中采用了额外的元件,如果不抬升物料清单(BOM)成本则难以实现。

  在电动汽车市场,车企为了取得成功,需要提高续航里程并降低BOM成本,才能有效地与传统内燃机(ICE)竞争。为了实现更长距离的续航里程,制造商需要更高容量的电池系统,这可以通过增加电池尺寸或提高功率效率来实现。然而,如果增加电池尺寸,将同时增加车辆重量,从而增加功率消耗。但如果在相同尺寸电池实现更高功率以及更少元件总数量,则可以实现更优异的功率效率,从而可以减轻重量、节省功率,并且最重要的是可以减少用户“里程焦虑”。

  据介绍,Wolfspeed(Cree子公司)新的650V碳化硅器件有助于在几个方面降低成本。与基于硅的650V MOSFET相比,Wolfspeed器件的导通损耗降低 50%,开关损耗降低75%,功率密度提高了3倍,不仅可以帮助实现更高效率来节省成本,还可以降低磁性元件和散热装置的BOM成本。

  例如,电动汽车6.6kW双向车载充电机(OBC)的典型AC/DC部分包括四个650V IGBT,几个二极管和一个700μH L1电感器,占超过70%的BOM成本。如果该设计采用四个650V碳化硅MOSFET,则仅需一个230 μH L1电感器。与基于IGBT的设计相比,这将使得BOM成本降低近18%。

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  对比显示,Wolfspeed碳化硅MOSFET充电机解决方案节约15%总体系统BOM成本


 

  加快上市等于减少了时间成本

  半导体厂商通常都通过参考设计为其器件提供广泛的支持。对于上面提到的OBC应用,Wolfspeed的全球应用工程团队创建了一个6.6kW的双向设计,其DC link为380V至425V,电池侧输出为250V至450V。

  其AC/DC端采用高效率且具性价比的图腾柱拓扑,而这是硅基方案在不权衡妥协其复杂性和元件数量的前提下所无法实现的。同时,DC/DC端将开关频率提高到150kHz至300kHz的范围——这比硅基方案快了三倍。

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  采用SiC MOSFET的6.6kW双向转换器适用于高效率和高功率密度车载充电应用


  很好的总结

  据Goldman Sachs统计,在汽车中采用SiC MOSFET增加的成本大约为300美元,而估计节省的成本可达2000美元。因此,2019至2030年,SiC MOSFET市场将占功率半导体增量增长的约50%。

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  采用SiC MOSFET增加的成本与节省的成本

  意法半导体汽车和分立器件产品部大众市场业务拓展负责人Giovanni Luca Sarica也谈到了电动汽车的成本,他说:“通过比较发现,电动汽车整车半导体平均总成本是传统汽车的两倍,而电动汽车50%的总成本与功率器件有关?!?/span>

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  Giovanni Luca Sarica

  他认为,SiC在电动车制造中可以节约成本。在电动汽车驱动电机和逆变器中,采用SiC MOSFET的逆变器有以下优势:开关损耗可降低80%;可以直接集成逆变器;无需另外安装液体冷却器;热管理性能更好;充电时间更快。他强调:“与硅基器件相比,SiC的成本优势不在于器件本身,而是体现在车辆总体成本方面,采用新技术可以为汽车制造商节省很多金钱?!?/span>

  他的理由是:当采用SiC时,开关频率可以设计得更高,这将提高器件的能效,降低无源元件的尺寸和成本,因为无源器件在应用系统总成本中占比很高。此外,当采用较小的无源器件时,还可以缩减??榈恼宄叽?,并且可以再一次降低应用整体成本。

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  半导体厂商不约而同:看系统成本,SiC低于IGBT

  他补充说:“在节省成本方面,汽车制造商还可以获得其它的重要好处。例如,当使用SiC解决方案获得更高能效时,可以降低动力电池冷却系统的尺寸,电池冷却系统是导致总体成本增加的主要因素。这都是SiC给汽车制造商带来的实实在在的成本效益。所有这些要素对于新能源汽车的市场普及极为重要,政府产业鼓励政策固然


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