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观点|SiC应用最大痛点:技术,还是成本?
作者: 文立 来源: 与非网 日期: 2020年6月16日

电动汽车疾行,或是带动SiC发展主要推手,加之接踵而至的快速充电桩,应用落地基本盘稳住的同时,是否如相关人士所言:成本是最大痛点?
 
提到碳化硅(SiC),人们的第一反应是其性能优势,如电气(更低阻抗/更高频率)、机械(更小尺寸)和热性质(更高运行温度),非常适合制造很多大功率电子器件;
 
如果说到应用,大多数人都会说它成本太高,推广起来需假以时日,云云。事实上,在一些有性能、效率、体积、散热,甚至系统成本要求的应用中,SiC器件已开始在取代硅。
 
成本走低 大势所趋
 

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图源 | pntpower.com
 
的确,就器件本身来讲,同等规格的碳化硅器件比硅器件单个管芯价格高三到五倍,但在一个晶圆上,碳化硅尺寸可以做得很小,平均每个器件的成本就会降低。另外,随着良率的提升和采用更大尺寸的晶圆,一个晶圆上可以切割出来的碳化硅器件会更多。
 
况且,面对不断增长的市场需求,包括晶圆厂在内的众多碳化硅厂商已经意识到必须扩大投资,提升产能,以抢得市场先机。随着科锐(Cree)、意法半导体(ST)、英飞凌(Infineon)及罗姆(ROHM)等日系厂商的加大投入,未来保证供货应该不成问题。
 
今天并不谈这些供应链上游的问题,而是从应用角度聊聊使用成本,看看在哪些应用中碳化硅已经抢占了先机,又是怎样节省了成本。
 
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及公司战略办公室成员Giovanni Luca Sarica,在回答碳化硅何时可生产300毫米晶圆时表示:“目前SiC在6英寸(150mm)晶圆上制造,下一步是8英寸(200mm)。当今电源方案市场井喷,电气化正在推动需求强劲增长。”
 
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。因此,对于ST来说,通过制造12英寸(300mm)功率芯片来扩大硅片产能,增强产品竞争力,是非常具有战略意义的。另一个目标是将SiC从6英寸迁移到8英寸生产线。还没有SiC在8英寸晶圆上制造的先例。根据ST产能扩张计划,8英寸制造至关重要。”
 
怎么解决SiC本身的成本问题呢?Giovanni Luca Sarica回答:“随着制造规模变大,SiC技术改进,SiC与硅之间的成本差距正在收窄,已低于一年前独立分析机构的测算数据。与硅基器件相比,SiC的成本优势不在于器件本身,而是体现在系统总体成本方面,可为合适的应用节省很多钱。”
 
电动汽车 应用推手
 
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图源 | autoevolution.com
 
汽车市场无疑是碳化硅最重要的驱动力,仅比较碳化硅器件和硅器件的成本是不行的。
 
ROHM半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德健表示:“将SiC逆变器用于电动汽车所带来的经济效益显而易见。利用SiC可以提高3%-5%的逆变器效率,降低电池容量、尺寸及成本,同时带来电动汽车总成本的下降;而由于碳化硅的热性能,制造商还可以降低冷却动力总成部件的成本,对电动汽车的重量和成本产生积极的影响。”
 
他认为,SiC MOSFET有很大机会率先引入高档车,因为其电池容量更大,有缩减的需求。大约在2021年,采用碳化硅的汽车整体价格会走低。
 
而在xEV市场,出于竞争因素,许多xEV供应商在看到同行采用全SiC系统方案获得了更长的行驶里程后,也竞相效仿,因为相比IGBT-SiC混合方案,使用全SiC模块逆变器能够以更低的系统成本提供更好的性能。
 
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逆变器中碳化硅和硅对成本的影响
 
对于SiC引入电动汽车的优势,意法半导体亚太区功率分立和模拟产品器件部区域营销和应用副总裁Francesco Muggeri认为:“最重要的是SiC MOSFET在牵引逆变器方面的优势,且在电动汽车制造中可能节约成本。在电动汽车驱动电机和逆变器中,可以使用IGBT也可以使用SiC MOSFET,两者相比,采用后者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。”
 
据统计,在汽车中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半壁江山。
 
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↑汽车中使用SiC MOSFET增加的成本比节省的成本少很多
 
Giovanni Luca Sarica解释说:“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,因为无源元件在应用系统总成本中占比很高。此外,当采用较小的无源元件时,还可以缩减模块的整体尺寸,可以再一次降低整体成本。在节省成本方面,汽车制造商还可以获得其他重要好处。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,电池冷却系统是总体成本增加的主要因素。”他相信,这些都是SiC给汽车制造商带来的实实在在的成本效益。
 
同时,SiC有助于提高车辆性能,延长新能源汽车续航里程,带来更好的综合用户体验,并使车辆充电速度更快。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重要,但是,真正的市场需求,越来越多的可选车型,更好的用户体验,以及产品优势,才是引爆电动汽车市场的关键。
 
快速充电 汹涌而至
紧随其后的是电动汽车快速充电桩,采用SiC的成本和性能优势正在体现。电动汽车市场的增长为建立充电桩配套基础设施带来了机遇。
 
市场分析公司Market Insights报告估计,电动汽车充电桩市场在2019年至2024年间的复合年增长率将超过38%。
 
Wolfspeed认为,快速充电桩客户要求充电器体积小、可靠、高效,同时还提供少于30分钟的充电时间。通常3到7kW的车载充电器需4小时以上,才能为电动汽车充电。为了缩短时间,快速非车载充电器必须提供更高的功率(80kW到350kW)。
 
基于220kW全桥谐振LLC转换器实现的设计,其额定输入范围为650V至750V,输出范围为300V至550V,最大输出电流为35A;在750V输入和570V输出下达到98.3%的峰值效率。与硅基设计相比,SiC解决方案可用减小大约25%的空间提供33%的高功率。
 
在AC/DC转换部分,使用MOSFET和IGBT的AC/DC转换器有几种常见的硅实现方式。硅MOSFET的问题是,在保持芯片尺寸小和获得高开关效率的同时,阻断电压不可能超过650V很多。尽管采用Si IGBT的两级拓扑结构可以提供高达1.2kV的电压,但其尺寸和效率仍然是一个挑战。
 
基于碳化硅的AC/DC转换器可以解决所有与硅有关的问题。使用65mΩ的1kV闭锁器件的设计,利用48kHz的高开关频率,可向快速充电器的DC/DC部分输出800V。实验结果表明,该电路在480V输入时可达98.5%以上的峰值效率。
 
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↑用SiC MOSFET设计的两级拓扑比硅AC/DC转换器更简单、更小、更高效
 
图中SiC电路还显示在元件数量方面的缩减——基于SiC的设计中有6个有源元件,而基于Si MOSFET的设计中有12个有源元件,两级IGBT设计中有18个有源元件。在尺寸方面,基于SiC的电路所占的面积减少了25%到30%。
 
再看快速充电器的DC/DC部分,这部分需要将近800VDC的电压转换为最大570VDC的电压。通过比较发现,在DC/DC转换器中,Si实现比SiC解决方案使用更多的有源元件。基于SiC的设计使用两个65mΩ MOSFET,每个开关位置并联1kV阻断能力,电路中总共8个。该电路的整流部分采用8个20A 650V的SiC肖特基二极管。
 
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↑SiC在DC/DC部分同样具有效率高、体积小、组件数量少、成本低等优点
 
未来,快速充电桩将连接到智能电网,因此电流可能是双向的,与硅相比,用碳化硅器件可以更简单地实现这一点。快速充电器还可能会提供额外功能,如娱乐和电子商务或电子零售服务,同时为多达四辆电动汽车快速充电。
 
太阳能逆变器 需SiC来升级
英飞凌科技电力电子设计高级应用工程师Mostafa Khazraei认为,在实现高效率、高功率密度逆变器设计时,用SiC MOSFET直接替代IGBT和SJ MOSFET,无需改变逆变器拓扑结构。SiC MOSFET能够以更高的频率开关,这就大大减小了磁性元件、电容器和外壳尺寸。随着功率水平的提高,尺寸和重量的减小都将节省成本。
 
与传统设计相比,多电平逆变器的电感和电容滤波器尺寸要小很多倍。这一点,再加上需要更小的冷却系统,使得设计更轻,外壳更小。另一方面,由于MV-MOSFET额定电压较低,与传统拓扑结构相比,更多的MOSFET被用于多电平设计。这也意味着,由于多电平逆变器的功率损耗而产生的热量(比传统的设计要小)分布在更多的器件中。结果表明,多电平逆变器的热管理更加有效,为无散热和无风扇设计铺平了道路。
 
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用多级拓扑代替传统拓扑提高效率和功率
 
在典型的单相串级逆变器(功率≥3kW)中,半导体通常占总成本的不到10%。然而,冷却系统和磁性元件通常比较昂贵。虽然半导体器件的价格在不断下降,但诸如磁性元件和散热器等其他元件的成本仍保持不变。
 
这意味着对于全功率容量大于3kW的单相太阳能逆变器,其中机械部件的成本是设计的重要部分,使用多电平逆变器有助于节约生产成本。
 
多电平逆变器的另一大优点是,每个MOSFET损耗较低,允许使用SMD封装器件。利用SMD封装有助于通过自动拣选安装工艺来节省装配成本。此外,封装电感的减小改善了高频开关的性能。
 
碳化硅光伏逆变器效率可达99%以上,能量转换损耗可降低50%以上,这将极大地降低逆变器的成本和体积。
 
高频转换 降损选择
电力电子说白了就是将功率转来转去,都离不开转换器,而采用高频转换器将可以发挥碳化硅的诸多优势,成本的节省更是不在话下。
 
意法半导体高级市场与应用开发工程师Luigi Abbatelli认为,在1200V开关领域,碳化硅比硅具有更多优势,是那些希望提高功率密度、更安全热操作、更高效率、降低系统尺寸及显著减小无源元件尺寸和成本的设计师的最佳选择。
 
他阐述了SiC MOSFET如何在最大化高频转换器整体性能的同时降低系统成本。这项工作最重要的方面在于利用SiC MOSFET极低的开关损耗,利用其高频工作能力,从而降低了系统尺寸、重量和成本,还有物流成本。
 
在电力电子新设计中,对提高效率的需求越来越重要,同时也越来越需要更轻更小的系统。在1200V器件范围内,碳化硅正成为硅技术的一个极好的替代品。SiC MOSFET保证导通阻面积值远低于最新的硅1200V MOSFET超级结技术,同时工作频率限制远远超过了市场上最先进的IGBT所能达到的频率限制。
 
为了证明SiC MOSFET的性能和成本优势,ST开发了一个5kW DC/DC CCM升压转换器参考设计,使用新的碳化硅1200V 45A MOSFET。高性能碳化硅功率器件的使用表明,与实现更高频率(高达125kHz)的IGBT相比,效率有了显著提高。基于散热片和无源元件的成本分析,将SiC MOSFET与传统IGBT的系统总成本进行了对比。
 
先来看无源元件的成本节约,提高升压转换器的开关频率有利于减小电感和/或输出电容。假设将输出电压、输出功率和输出电压纹波作为输入设计规范,根据最大平均电感电流来选择无源元件。通常执行两种不同策略:a)开关频率越高,电感值越低;b)保持IGBT低频运行时选择的电感值不变,然后通过增加频率来减小电流纹波。
 
因此,可以缩小输出电解电容器的尺寸。第三种策略是在a)和b)之间选择一个折衷方案,以实现更低的电感和电容。通过遵循a)选项,由于较高的开关频率,可以通过减小电感值的大小来降低相关电感成本。
 
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↑DC-DC升压转换器中电感器相对于频率的典型成本趋势
 
再看冷却系统的成本节约,由于SiC MOSFET允许更高的最高结温(200℃)以及其固有的高导热性,在应用中,SiC MOSFET的工作温度为125℃,而IGBT的工作温度为100℃。为了确保高可靠性,需要在温度方面有相应的安全裕度。由于相同的损耗水平(SiC MOSFET在4倍大的开关频率下大致消耗与Si IGBT相同的功率),不同的工作温度意味着100kHz工作时散热片较小。
 
这个5kW升压转换器(25kHz对100kHz)的真实案例研究表明,在电力电子应用中,磁性元件主要得益于较高的开关频率。一旦为SiC和IGBT方法选择了频率,就很容易计算升压LC值。首选策略是降低电感,从而降低扼流圈的成本、重量和体积。值得注意的是,其主要好处来自于最小化的磁性元件。
 
此外就是节约物流成本,由于运输和贮存产品的物流成本会侵蚀公司的利润,很大程度上取决于产品的总体尺寸和重量,那么,体积密度(W/l)和重量密度(W/kg)对以下物流可变成本都有影响:仓库、劳动力、汽油和运输。很简单,根据质量定律,利用SiC MOSFET提高频率时,就可以根据节省的尺寸和重量来计算节省的资金了。
 
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↑好处是降低了从半导体制造商到最终用户的整个生产链成本
 
需要注意的是,SiC MOSFET可以提高功率电子应用的开关频率、效率和功率密度。尽管本身成本较高,但上述优点可转化为较低的总体系统成本。为降低成本,可采取不同策略,而所有潜在效益(磁性元件最小化、提高效率和/或功率密度等)的最佳权衡取决于应用、输出功率和其他因素。
 
写在最后
今天,碳化硅器件已在对效率、功率密度、系统成本敏感的应用中率先应用。
 
SiC MOSFET的优势在于,不必像IGBT那样串联起来才能提高单元功率;采用SiC MOSFET的DC/DC电路可以大大简化电路拓扑设计,减少元器件数量,缩小无源元件间距,控制和驱动电路也更加简单;此外,还可以减小磁性元件的尺寸和成本。虽然目前碳化硅器件价格还比较高,但它节省整个系统成本的优势正在慢慢体现出来。
 
总之,由于功率损耗的降低,能量的有效性,加上应用方面的优势,碳化硅器件正在使系统设计更紧凑,成本效益更高,其渗透率也随之大幅上升。

(转载请注明来源: 汽车制动网/chebrake.com 责任编辑:Jack)

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