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電動車800V系統演進下,國產SiC器件必須擁有姓名

2021-09-18
來源: 電子工程專輯

  如果你是電子工程(EE)或微電子相關專業的,那么在念“派恩杰”這個名字時,腦子里第一個想到的諧音一定是PN結(PN Junction)。所有功率器件都要有PN結結構,無論是單極性(Unipolar)還是雙極性(Bipolar)器件設計,這都是最重要的一環。有些材料在P型摻雜時很難,有些材料在N型摻雜時很難,而碳化硅(SiC)則是少數可以通過離子注入外延等不同的方法做出PN結結構的半導體材料。

  所以沒錯,這家“派恩杰半導體(PN Junction)”是專注于第三代半導體功率器件設計和方案的公司,成立于2018年9月,主要產品是碳化硅MOSFET,碳化硅SBD等器件。創始人黃興是美國北卡州立大學博士,師承Dr. B. Jayant Baliga(IEEE Life Fellow,美國科學院院士,IGBT發明者,奧巴馬授予國家技術創新獎章)與Dr. Alex Q. Huang(IEEE Fellow, 發射極關斷晶閘管(ETO)的發明者)。

  近日,《電子工程專輯》采訪了派恩杰半導體創始人&總裁黃興博士,除了證實派恩杰這個名字的的確來自PN結以外,還了解了他的創業初衷以及目前國產碳化硅器件的整體技術水平和應用趨勢。

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  派恩杰半導體創始人&總裁黃興博士

  創業故事

  黃興從本科、博士直到畢業后的工作,都在與功率器件打交道,涉及領域包括碳化硅、氮化鎵(GaN)和硅材料。在美國留學和工作期間,他參與了美國自然科學基金FREEDM(4000萬美元)和Power America(1.4億美元)項目。同時他也是全球第一個在6英寸碳化硅片上做出3300V MOSFET器件的人。

  黃興博士曾與Cree、豐田等公司有研發合作,曾在RFMD(Qorvo) 、USCi等企業擔任研發要職,有長達十年的碳化硅和氮化鎵功率器件設計經驗。從戰績上看,黃興累計發布10余篇科技論文,超過350次引用;20余項專利發明,包括全球首個可雙向耐壓碳化硅結終端結構。

  黃興在博士期間研究的是碳化硅,剛畢業時他發現,第三代半導體的概念還有點超前,在中國并不好找工作。但長期的國外工作和學習,讓黃興發現國外有很多頭部半導體公司很早已經開始了對第三代半導體材料的研究,“怎么中國就沒有這樣一家公司,可以讓我去工作呢?如果沒有,我能不能創立這樣一家公司呢?”當時,他就萌生了創業的想法。

  中國家是半導體元器件使用大國,每年的芯片進口額都超過石油。黃興認為,既然有這么強大的應用能力,就更應該實現半導體供應鏈的自主可控,保障國家高科技產業鏈的安全。“有朝一日,中國也能有一家像英飛凌、羅姆、CREE這樣的龍頭企業,可以支撐國家對先進功率器件的需求。”

  因為在國外企業做碳化硅MOSFET、SBD有了很多積累,所以在創立派恩杰時,黃興在公司路線的選擇上做了一番思想斗爭。是保守一點,做一款跟國際大廠第一代、第二代碳化硅產品類似的,但是可以快速量產的設計?還是要跳過“Me Too”型的初級產品,直接做出能和大廠PK的最新產品?

  最終黃興選擇了后者。他覺得,創業公司如果簡單復制大公司的初級產品路線,再搞低價競爭,在市場上很容易就會被打到失去競爭力。

  對那時的半導體創業公司來說,剛剛起步往往是經費最吃緊的時候。據黃興透露,公司在這個過程中經歷了幾次財務危機,最困難的時候甚至工資都發不出來。但為了能做出有獨特性和創新性的產品,創業團隊籌集了900萬,又跟銀行貸款了700萬,加上政府的補貼,終于做出了性能優于國際大廠第三代的產品。車廠在客戶端驗證后,也獲得了很好的反饋。“目前我們送出去的產品還沒有一個客訴,質量和性能都是過關的。”

  另外在當時要做一款創新的產品,也需要說服代工廠(foundry)。站在代工廠的角度,當然希望用成熟的產品迅速起量,把產線產能拉滿;而創新的東西確實需要不斷磨合和調整產線工藝。

  “當時我們勸說代工廠,按照派恩杰這套設計和工藝流程做出來的產品,performance一定比某大廠的好,而且在工藝成本上也做了優化。”黃興回憶道。據悉派恩杰的工藝方案在光刻層數上,比業界其他廠商要少減少2-3次光刻,實現了流片成本的降低。獲得了代工廠的支持后,2019年3月,派恩杰在成立6個月后便成功推出了第一款可兼容驅動650V GaN功率器件,同年8月又完成Gen3技術的1200V SiC MOS,填補了國內空白。

  在剛成立的前兩年,派恩杰并沒有做太多的市場宣傳,也沒有去見太多客戶。但是在實現技術突破后,便迅速將這項技術復制到650V、1200V、1700V的產品上,形成完整的全系列產品推向市場。2020年,他們先后發布用于5G數據中心、服務器與工業輔助電源的650V、1700V工業級MOS以及用于車載充電機的650V車規級MOS;2021年2月發布1200V大電流車規級MOS,應用于電動汽車電驅單管及模塊。

  黃興表示:“這得益于我們當時下定了決心要做一個全新的設計,而不是去照抄別人的設計或是說做一個更保守的選擇。”

  電動汽車邁向800V平臺,SiC優勢更明顯

  談到碳化硅MOSFET應用的趨勢,黃興認為目前最大的市場還是電動汽車。包括特斯拉Model 3在內的電動汽車,當前都還是使用400V電壓平臺,但未來趨勢是800V,其好處是能讓整車重量更輕、體積更小、效率更高。在800V的汽車平臺中,不管是電池充放電還是電機驅動系統中,都會用到下圖這樣的電機電子設備。

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  以充電速度來說,800伏電壓平臺能將充電速度從目前特斯拉400V系統的1分鐘充9公里,提升到1分鐘充27公里,充電10幾分鐘就能跑300公里;從線材成本上說,因為電壓提升讓線材中的電流更小,能夠將銅線的截面積從400V 250A系統的95平方毫米,比重8.5kg/m,降低到截面積35平方毫米,比重3.1kg/m,降低銅線成本和重量的同時,在布局布線時拐彎也會更靈活;從功率器件成本上說,800V電壓平臺一般使用1200V的功率器件,每千瓦數成本比400V/600V/700V功率器件要更便宜。

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  隨著中國碳中和目標的提出,國務院指導綱要里面明確提出兩個要求,一是質,一是量。

  質的要求,就是到2025年純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百公里,新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右。從下圖可以看到,就算是特斯拉model 3目前百公里電耗也在15度電左右,要在2025年實現上述電耗目標,碳化硅技術是繞不過去的。

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  再看量的要求,從市場容量看,中國2020年汽車銷量2500萬輛,2025年電動汽車占比要達到20%,所以電動汽車至少是年產500萬輛,需求碳化硅6英寸晶圓產能預計年100萬片,僅車用碳化硅器件市場約500億元。

  碳化硅器件和IGBT比,如何?

  除了前段時間特斯拉率先把碳化硅器件做進量產的Model 3之外,目前絕大部分電動汽車還是采用IGBT方案。黃興用1200V IGBT和1200V 碳化硅進行了對比,結論是在10 kHz 工作頻率下,碳化硅能降低38%的損耗;在30 kHz工作頻率,碳化硅能降低約60%的損耗,并且大幅減小散熱器體積和重量,綜合下來能令電池續航里程提高5~10%。“在碳化硅更高的開關頻率下,未來允許電動汽車使用功率密度更高的高速電機,更小的EMI filter,還能讓電機靜音(>20kHz)。以特斯拉為例,其18000轉的發動機在高速運行下,可通過提高頻率,使用更小的電機來達到更高的功率密度。”

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  從成本上講,同樣功率等級的碳化硅器件成本約為IGBT模塊的2.5至3倍。例如1200V 400A IGBT半橋模塊量產價格300元,同樣功率的SiC模塊量產要900元。算下來3相全橋逆變器中模塊成本相差 (900-300)*3 = 1800 元人民幣,那么為什么還要上碳化硅?

  因為在同樣續航里程下,碳化硅能夠大大減少電池成本。以目前電池USD $150/kWh的造價來看,一輛75kWh的電動汽車,由于碳化硅能提高5-10%的效率,同樣的設計里程, 可節約電池成本3650~7300 元人民幣(人民幣:美金按6.5:1計算)。“所以總體來說,以目前的電池價格成本計算,車企用碳化硅已經更劃算了。”黃興補充道,“碳化硅每年還有大概20%的價格降幅,而IGBT目前來說已經是地板價了,不會再降了。”

  再從整體產能投資預期看,到2025年預計中國電動汽車年需求500萬量,且要求百公里電耗<15kW·h。拋開效率要求不談,單單是要滿足每年500萬輛汽車的需求,使用IGBT,需求8英寸晶圓產能100萬片每年,產線造價70億元,投入產出比74%;而使用SiC,需求6英寸晶圓產能80萬片每年,產線造價16億元,投入產出比975%。而SiC量產工藝還有進步空間,預計2025年成本降低一半,IGBT技術則已經成熟,由技術提升帶來的成本下降空間有限。

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  黃興還表示,用碳化硅的好處在于可以使用高速電機,讓電機功率密度更高的同時減輕電機本身的重量。上圖是10000轉電機和23000轉電機的對比,10000轉的電機重量16.4千克,23000轉電機只有5.6千克,電機重量僅為前者1/3。

  國產創業公司中,唯一通過車企資質認證的

  目前國內無論是像小鵬、未來、理想這樣的造車新勢力,還是比亞迪、上汽、北汽都在往電動車方向發力。碳化硅應用走在比較前面的有比亞迪和吉利,他們的OBC上已經大量使用碳化硅器件。因為OBC主要用在車載充電機,相對要求沒有主驅逆變器這么高,所以車廠普遍希望先在OBC上進行驗證,技術問題解決之后再導入主驅逆變器。

  據黃興透露,目前已經有多家國產碳化硅芯片在往比亞迪、小鵬等車企送樣,派恩杰也在很多國內車廠中進行測試導入的階段。“目前國產芯片廠商能做出碳化硅MOS的不多,所以國產汽車廠在碳化硅方面還是使用CREE、羅姆、ST產品為主。派恩杰目前是唯一一家以創業公司身份,通過國內車企OBC碳化硅測試的,另一家是一家央企。”

  因為派恩杰從晶圓到封裝的整條供應鏈完全符合車規要求,據悉派恩杰已經拿到了一些車廠的供應商資質,而且設計能力和產品性能可以達到跟CREE、ST做pin to pin替換的程度。“而目前在其他國產友商中,目前能送樣通過測試的還是相對較少。”黃興說道。

  派恩杰的產品線和技術優勢

  下圖是派恩杰目前已有的產品,碳化硅產品主要是針對工業,包括數據中心、光伏逆變、儲能和汽車,也有主要是針對消費級的氮化鎵產品。其中標紅的芯片主要是面向汽車主驅逆變器的應用。

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  具體到碳化硅MOSFET產品,黃興從技術平臺、Rdson、Qgd、HDFM等幾方面與競品做了對比。其中HDFM指標就是Rdson與Qgd綜合指標,也是衡量所有MOSFET等功率半導體優劣的重要參數指標。在理想情況下,同樣的應用場景,如果派恩杰的SiC MOSFET 功耗為10W ,某國產品牌的功耗為24W,而跟歐美日本大廠橫向對比也是不輸的。

  “一般來說,芯片面積越大Rdson越小,但芯片面積越大,電容也越大,導致開關損耗越大。”黃興具體解釋了這個參數對比的依據,“Rdson決定功率器件的導通損耗,Qgd決定開關損耗。兩者相乘的數字越小,就說明綜合損耗越小。派恩杰在所有對比的MOSFET里Rdson乘以Qgd是最小的。也就說在同樣保證損耗的情況下,開關損耗最小。”

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  此外派恩杰的器件也遵循車規AEC-Q101的測試規范,并已實現大量出貨。目前可以做到門級TDDB失效壽命1000年以下,失效率低于10PPM。

  小結

  據悉,派恩杰還是JEDEC國際標準委員會JC-70會議的主要成員之一,參與制定寬禁帶半導體功率器件國際標準。三年間已發布50余款650V/1200V/1700V SiC SBD、650V , 1200V , 1700V , 750V SiC MOS、650V GaN HEMT功率器件,并且在海內外被部分一線客戶導入使用。黃興強調,派恩杰碳化硅MOSFET產品最大的特點是HDFM指標全球領先,而且產品目錄應該是國產類似器件里最全面的。

 

  派恩杰半導體的1700V SiC MOSFET,用于工業高壓輔助電源、光伏輔助電源等,可直接替換硅MOSFET方案


  派恩杰半導體的1200V SiC 模塊,用于大功率工業逆變器、機車牽引、BMS等

  供應鏈方面,派恩杰的SiC晶圓由X-FAB生產制作,這是全球第一家提供150mm SiC工藝的晶圓代工廠,同時也是當前全球具備規模化量產能力的SiC晶圓代工廠TOP3,有30年的車規半導體生產歷史,產線完全符合車規標準。產能據稱可以達到每年100KK。

  黃興表示,根據第三方機構&全球一線客戶實機測試驗證,派恩杰產品性能已達國際一流水平,有機會與國際企業一爭高下,未來將爭取成為在海外市場最大份額的中國碳化硅和氮化鎵品牌。

 


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