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碳化硅助力电动汽车续航和成本的全方位优化

作者:时间:2022-07-18来源:国产a片产品世界收藏

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本文引用地址:/article/202207/436351.htm

受访人:水原德健  半导体(北京)有限公司技术中心总经理

1.氮化镓和同属第三代半导体,在材料特性上有什么相似之处和不同之处?根据其不同的特性,分别适用在哪些应用领域?贵公司目前在SiC和GaN两种材料的半导体器件方面都有哪些主要的产品?

  目前,市场上基本按下图划分几种材料功率半导体器件的应用场景。当低频、高压的情况下适用硅基IGBT,如果稍稍高频但是电压不是很高,功率不是很高的情况下,使用硅基MOSFET。如果既是高频又是高压的情况下,适用MOSFET。那么电压不需要很大,功率不需要很大,但是频率需要很高,这种情况下适用氮化镓。

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  虽然材料具有比硅更好的特性,但并非可以完全取代硅。作为广泛的半导体材料,硅仍然具有不可替代的应用领域。目前来看,基于碳化硅材料的功率半导体适合应用于高频高功率高工作电压的应用场合。

  作为碳化硅元器件的领军企业之一,一直致力于先进产品的开发,早在2010年便于业界首次量产SiC MOSFET。在车载领域,于2012年推出了支持AEC-Q101认证的车载品,并在车载充电器(OBC)领域拥有很高的市场份额。此外,罗姆碳化硅产品还应用于车载DC/DC转换器等领域。2020年6月,罗姆发布了业界先进的第4代低导通阻抗SiC MOSFET。与以往产品相比,在不牺牲短路耐受时间的前提下,成功实现业界较高水平的低导通电阻。此产品非常适用于包括主机逆变器在内的车载动力总成系统和工业设备的电源。业界预计2023年开始碳化硅在主机逆变器上的应用需求会增加,现在是重要的时间窗口,罗姆第4代SiC MOSFET已经获得很多厂商的评估和询价。

  氮化镓目前有效耐压通常可以做到650V,实际上氮化镓有一个明显的特性,同样是高频率,200k以上,工作频率比碳化硅会有较大提升,在汽车或服务器电源领域等要求体积小、效率高的应用场合下会有比较大的优势。氮化镓作为碳化硅功率元器件的补充产品,未来有望得到进一步普及,氮化镓的高频特性将促使其在低耐压领域有广泛地应用。

  罗姆一直在大力推动业内先进的碳化硅元器件和各种具有优势的硅元器件的开发与量产,同时,一直致力于在中等耐压范围具有出色的高频工作性能的氮化镓器件的开发,旨在为各种应用提供更广泛的电源解决方案。并且,罗姆将有助于节能和小型化的氮化镓器件产品阵容命名为“EcoGaN?”,并一直致力于进一步提高器件的性能。今后,罗姆将继续开发融入了“Nano Pulse Control?”等模拟电源技术的控制IC及其模块,通过提供能够更大程度地发挥氮化镓器件性能的电源解决方案,为实现可持续发展社会贡献力量。

2.功率器件是第三代半导体的重要应用领域之一,您认为,相比于传统功率半导体器件,第三代半导体在功率器件应用方面有哪些技术上的优势,又能带来哪些技术指标方面的突破和新应用的涌现?

  与传统的硅器件相比,碳化硅(SiC)器件由于拥有低导通电阻特性以及出色的耐高温、高频和耐高压性能,已经成为下一代低损耗半导体可行的候选器件。此外,SiC让设计人员能够减少元器件的使用,从而进一步降低了设计的复杂程度。SiC元器件的低导通电阻特性有助于显著降低设备的能耗,从而有助于设计出能够减少CO2排放量的环保型产品和系统。罗姆在SiC功率元器件和模块的开发领域处于先进地位,这些器件和模块在许多行业的应用中都实现了更佳的节能效果。

  罗姆于2020年完成开发的第4代SiC MOSFET,是在不牺牲短路耐受时间的情况下实现业内超低导通电阻的产品,目前不仅可供应裸芯片,还可供应分立封装的产品。该产品有助于实现车载逆变器和各种开关电源等各种应用的小型化和低功耗。其产品特点主要包括:1.在不牺牲短路耐受时间的前提下实现业内超低导通电阻。在第4代SiC MOSFET中,通过进一步改进罗姆自有的双沟槽结构,成功地在不牺牲主驱逆变器等要求的短路耐受时间的前提下,使导通电阻比以往产品降低约40%。作为SiC MOSFET,实现了业界超低的导通电阻。2.通过大幅降低寄生电容,实现更低开关损耗。第4代SiC MOSFET,通过大幅降低栅漏电容(Cgd),成功地使开关损耗比以往产品降低约50%。3.支持15V栅源驱动电压,使应用产品的设计更容易。在MOSFET中,需要在器件ON时向晶体管的栅极施加一定量的电压。除了到第3代SiC MOSFET为止所支持的18V栅源驱动电压(Vgs)外,第4代SiC MOSFET还支持更容易处理的15V栅源驱动电压,可与IGBT一起用来设计驱动电路(栅极驱动电路)。

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应用示例:主驱逆变器

  有助于包括车载逆变器和各种开关电源在内的各种应用产品实现显著的小型化和更低功耗,比如在用于车载主驱逆变器时,与使用IGBT时相比,效率可以得到显着提升,主要体现在逆变器的高扭矩和低转速范围,从而可使电耗减少6%(按国际标准“WLTC燃料消耗量测试”计算)。

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3.随着双碳政策的不断推进,第三代半导体在节能增效方面能够带给相关的系统哪些全新的竞争优势,贵公司有哪些与第三代半导体功率器件相关的方案可以助力系统的节能增效?

  示例:主驱逆变器

  有助于包括车载逆变器和各种开关电源在内的各种应用产品实现显著的小型化和更低功耗,比如在用于车载主驱逆变器时,与使用IGBT时相比,效率可以得到显着提升,主要体现在逆变器的高扭矩和低转速范围,从而可使电耗减少6%(按国际标准“WLTC燃料消耗量测试”计算)。

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4.新能源汽车和充电桩,也是第三代半导体的主要应用领域之一,您认为,在这两个方面,第三代半导体主要的技术应用优势有哪些?对系统的效率和性能,又能带来哪些新的提升以及新应用的可能?

  相比硅,碳化硅具有高效率等特性,因而可以更有效地利用电池的电能。这将非常有助于延长的续航里程并削减电池体积和成本。作为碳化硅元器件的领军企业之一,罗姆一直致力于先进产品的开发,早在2010年便于业界首次量产SiC MOSFET。在车载领域,罗姆于2012年推出了支持AEC-Q101认证的车载品,并在车载充电器(OBC)领域拥有很高的市场份额。此外,罗姆的碳化硅产品还应用于车载DC/DC转换器等领域。2020年6月,罗姆发布了业界先进的第4代低导通阻抗碳化硅MOSFET。与以往产品相比,在不牺牲短路耐受时间的前提下,成功实现业界较高水平的低导通电阻,有助于包括车载逆变器和各种开关电源在内的各种应用产品实现显著的小型化和更低功耗。比如在用于车载主驱逆变器时,与使用IGBT时相比,效率可以得到显着提升,主要体现在逆变器的高扭矩和低转速范围,从而可使电耗减少6%(按国际标准“WLTC燃料消耗量测试”计算)。

5.随着这一轮缺芯潮的逐渐平息,我们可以看到芯片供应链有诸多待改善的地方,那么第三代半导体在供应链上会有怎样的优化?功率半导体企业如何来应对材料供应链的问题?

  在罗姆,SiC业务从SiC籿底、外延、晶圆到封装都构建了公司内部“一条龙”的生产体制,不仅是器件开发,还致力于晶圆的大口径化,以及通过投入最新设备来提高生产效率;以性能、品质、稳定供给来实现与友商的差别化。

6.您认为随着成本的下降,未来GaN在中低功率领域能否完全替代二极管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件?在功率器件的工艺上第三代半导体带来了哪些改变?

  氮化镓目前有效耐压通常可以做到650V,实际上氮化镓有一个明显的特性,同样是高频率,200k以上,工作频率比碳化硅会有较大提升,在汽车或服务器电源领域等要求体积小、效率高的应用场合下会有比较大的优势。氮化镓作为碳化硅功率元器件的补充产品,未来有望得到进一步普及,氮化镓的高频特性将促使其在低耐压领域有广泛地应用。



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