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闻风而动的碳化硅

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-04-13   浏览次数:299
核心提示:  现在,路上电动汽车比以往任何时候都多,汽车和半导体业界的工程师的头脑中每每闪现的也是更快、更小、更轻的未来汽车,而作

  现在,路上电动汽车比以往任何时候都多,汽车和半导体业界的工程师的头脑中每每闪现的也是更快、更小、更轻的未来汽车,而作为第三代半导体的典型代表,宽禁带器件同时具备了上述三个优势,可以为电动汽车提供高压、高温组件,帮助设计师打造出具有竞争力的、节能型的产品,以满足市场需求。

 

  疫情在全球范围蔓延,各种展会都已取消,无法面对面与厂商交流,得益于现代网络通信工具,记者越洋采访了位于北美、欧洲,当然还有中国的碳化硅厂商,看看他们在碳化硅的汽车应用方面都做了什么?

  碳化硅器件的性能和可靠性在电动汽车领域的五个关键应用中尤其有效:

 

  五大汽车应用中四个适合碳化硅

  其一是车载DC-DC转换器。电动汽车的不同系统——动力推进、HVAC、车窗升降、内外照明、信息娱乐和一些传感器——由不同电压驱动。车载DC-DC转换器必须实时地将正确的电压转换和分配给每个系统,使所有系统都能作为一个整体工作。碳化硅器件确保了这一过程比任何硅基解决方案都更快、更可靠、更高效。

  其二是非车载直流快速充电器。它将输入的外部AC转换为电动汽车所需的DC电源模式,并将其存储在电池中。习惯了5分钟加满油的司机们不愿意等上几个小时才让他们的车重新上路。碳化硅的优异开关速度是一系列新型快速充电器的核心。

  其三是车载蓄电池充电器。它将来自电池子系统的DC电源转换为主驱动电机的AC电源。当车辆插上电网的外部电源时,该装置的整流电路将AC电源转换为DC电源,为蓄电池充电。该系统还通过再生制动收集车辆动量产生的动能,并将其送到电池。在每一个阶段,碳化硅都能更快地发挥这些功能,与硅相比,碳化硅体积小60%,器件热量和能量损失更少。

  四是电动汽车动力总成/主逆变器。所有电动汽车动力传动系统的实现都取决于设计师。目标是使用更少的动力,以更低的价格设计一个流畅的系统,让所有运动部件更快地运行。碳化硅能够用业界最低的漏源导通电阻来处理大电流,这增加了消费者单次充电的续航距离。

  采访问题只有4个,应该说很简单,有的厂商没有回答全部问题。以下内容已将受访者答案串连起来,问题不再一一重复。

  1. 贵公司的车用碳化硅产品有哪些?它们有什么优势,可以用在电动汽车的哪一部分,可以获得怎样的效果?

  2. 您认为,目前中国碳化硅技术和应用与国外存在哪些差距?

  3. 贵公司产品是否已在电动汽车上采用?有没有一些与车企的合作项目在实施,到了哪一步?

  4. 您对碳化硅车用有什么预期?

  开发碳化硅技术有一个陡峭学习曲线

  ——Cree全球销售和市场营销副总裁Kenric Miller

 

皇浦彩票投注  Cree拥有一系列用于汽车应用的宽带隙碳化硅器件,可供全球(包括中国)的原始设备制造商和技术公司使用。该公司碳化硅器件的性能和可靠性在电动汽车领域的五个关键应用中尤其有效:电动汽车动力传动系统/主逆变器、车载电池充电器、车载DC/DC转换器和非车载DC快速充电器。

  Cree的碳化硅技术为其支持的各个行业提供了巨大的竞争优势。对于汽车而言,碳化硅器件能够使电动汽车动力系统更快、更高效地转换动力,从而实现更大的里程数。这意味着使用同样大小的电池可以延长行驶距离。

  更具体地说,Cree的碳化硅半导体显著降低了开关损耗,并允许实现更高的开关频率。这意味着能源转换效率可以达到99%以上,大大减少了能源损失,在减少二氧化碳排放方面发挥了重要作用。这项先进技术使碳化硅模块在列车牵引逆变器、输电和配电HVDC输电、电源解决方案(包括各地的工业应用)、太阳能和风能逆变器、储能和变压器中的未来应用成为可能。

  在工业和能源基础设施方面,Cree的碳化硅提高了效率,缩小了系统规模,减少了散热,使企业能够充分利用每千瓦时的电力和每平方米的空间。

  向碳化硅的转变为Cree带来了越来越多、多样化的器件销售机会,尤其是在汽车市场。Cree的碳化硅晶圆推动了电力半导体行业从硅向碳化硅的转变,提供了对电动汽车至关重要的性能增强,包括提高驱动效率/扩展范围和实现更快的充电。

  Cree为汽车、工业和可再生能源部门设计碳化硅技术器件。对于汽车,Cree的宽禁带碳化硅器件提供高压、高温电动汽车部件,帮助设计师制造更小、更快、更轻和更强大的汽车。随着汽车行业寻求加速从内燃机向电动汽车的转变,基于碳化硅的动力解决方案在整个汽车市场的采用正迅速增长,从而提高了系统效率,使电动汽车具有更长的续航里程和更快的充电速度,同时降低了成本,减轻重量,节省空间。Cree将这些碳化硅产品分为裸片、分立封装和多片芯封装(系统集成封装)三类产品投放到汽车市场。

 

  1200 V,450 A碳化硅传导损耗优化的XM3半桥模块

  在工业市场上,Cree的碳化硅模块能够实现更小、更轻、更具成本效益的逆变器,更有效地转换能源,以开启新的清洁能源应用。

  对于可再生能源部门,Cree花了30年的时间开发器件,帮助确保每千瓦时都能有极高的效率,最大程度地利用尽可能少的能源,而不管能源来源如何。我们是业界最快、最小、最轻、最高效、性能最高的宽带隙碳化硅功率半导体的制造商,并致力于为所有电力系统的设计师提供工具,以实现他们对更安全能源未来的愿景。

  多年来,Cree一直向中国汽车市场供应碳化硅产品。我们的第一个产品是支持车载充电应用。随着我们的发展,我们看到,在中国Cree在电动汽车动力传动系统/主逆变器、车载电池充电器、车载DC/DC转换器和非车载DC快速充电器方面取得了巨大的增长。

  Cree正与ADI、NXP和TI等其他公司合作,帮助客户更快地进入市场。我们已经创建了可以证明能力的参考设计,并允许客户测试他们的概念。中国的许多汽车客户在实验室里都有这些工具。

皇浦彩票投注  我们看到,中国对电池电动汽车(BEV)的大力推动有助于中国在汽车行业碳化硅使用方面走在前列。任何发展碳化硅技术的人都有一个陡峭的学习曲线,中国正在开发这些应用的专有技术。作为航天领域最早的创新者之一,Cree拥有超过30年的经验,一直与中国公司合作,将碳化硅应用于汽车。

  Cree最近与一级供应商和全球技术公司建立了重要的合作关系,突显出中国、美国和欧洲的碳化硅增长机会,也进一步突显出全球需求的不断增长。很明显,每个人都在竞相实施碳化硅解决方案,为电动汽车提供更轻、更快、更小和更强大的系统。

  随着中国继续快速采用电动汽车,该领域对碳化硅的需求也将继续增加,从而导致需求呈指数级增长。碳化硅的价值主张和明显的性能优势是不可忽视的,当汽车制造商开始将其整合到未来的汽车开发中时,他们已经意识到了这一点。

  碳化硅应用进一步节省车辆成本

  ——博世集团董事会成员Harald Kröger

 

  博世最新研发的新型碳化硅微芯片将助力电动汽车实现质的飞跃。未来,由这种非常规材料制成的芯片将引领电动汽车和混合动力汽车的控制系统,即功率电子器件的发展。对客户而言,博世是唯一一家能够集合半导体生产和汽车零部件供应双边优势的企业。

  基于我们对电动汽车系统已有的深入了解,碳化硅技术的优势能直接应用于我们零部件和系统的研发。作为汽车半导体的全球领先制造商之一,博世在这一领域拥有超过50年经验和独特优势。除功率半导体外,博世半导体还包括微机电系统(MEMS)和专用集成电路(ASIC)。

  新型半导体材料在电动汽车和混合动力车中应用之后,其优势十分突出。在功率电子器件中,碳化硅微芯片能够让热损耗减少50%左右,这将直接提高功率电子器件的能效,并为电机提供更多动力,从而提升电池的续航里程。单次充电就能够让驾驶者的电动汽车续航里程提高6%。通过这种方式,博世有助于减少潜在电动汽车购买者的里程焦虑。换句话说,汽车制造商能够以更小尺寸的电池实现同等的续航里程,降低电池这一电动汽车最为昂贵的零部件成本,从而降低汽车的价格。

皇浦彩票投注  碳化硅的应用还能进一步节省车辆的潜在成本,芯片热损耗的大大降低并能在更高的工作温度下运作,意味着汽车制造商能够节省在车辆动力总成系统组件冷却上所耗费的高昂成本。这对电动汽车的车身重量和生产成本均会产生积极影响。

  在碳化硅生产方面,位于斯图加特以南25英里的博世罗伊特林根工厂除了生产150毫米和200毫米晶片以外,还将生产新的碳化硅芯片。该工厂数十年来每日平均生产交付的微芯片超过几百万个。

 

  生产碳化硅芯片的博世罗伊特林根工厂

  2018年6月,博世在德累斯顿开始建造一座先进的半导体生产工厂。其生产制造将使用直径为300毫米的晶片。博世在德累斯顿晶圆厂将投资约10亿欧元。这是博世历史上总额最大的单笔投资。德累斯顿晶圆厂的无尘车间目前正在安装相应设施。首批员工计划于2020年春季开始工作。博世将在该工厂实现碳中和。

  罗伊特林根工厂和德累斯顿晶圆厂能够形成良好的优势互补关系。这将使博世进一步增强其市场竞争力。

  中国在碳化硅应用方面处于领先地位

  ——亚洲业务发展和FAE高级经理(Richard Chen)

 

  UnitedSiC提供广泛的高性能、通用和硬开关SiC FET、SiC JFET和SiC肖特基二极管。对功率系统设计人员来说,唯一和非常有益的是,所有SiC FET都被配置成共源共栅结构,它是SiC JFET和Si mosFET的组合,既提供了SiC的开关性能,又易于栅极驱动。所需的栅极驱动电压与MOSFET和兼容,因此有可能将器件放入使用TO-247 IGBT的现有应用中,以便在重塑整个电源平台的情况下,立即提高效率。通过调整逆变器周围的元件可以获得更多的好处,例如,由于共源共栅具有固有的高性能体二极管效应,可以减小缓冲电路的尺寸,并消除IGBT并联二极管。在此过程中,很容易达到99%以上的效率。功率损耗较小,因此散热可以更小、更便宜、更轻,从而获得更好的电动汽车续航里程。

  我们现在也在提供两个超低RDS(on)SiC FET,650V的规格是7欧姆,1200V的规格是9欧姆。重要的是,我们在这一级别的任何器件上都达到了业界最低的RDS(on)。

  650V和1200V的UnitedSiC UJ3C和UF3C SiC FET已广泛应用于中国的电动汽车。事实上,中国是第一个使用碳化硅器件的国家。中国与SiC的渐进式设计方法使他们走在了将这项技术融入电动汽车设计的前列。

 

  晶圆交付的650V-265mΩ SiC常开JFET

  我们的UJ3C和UF3C SiC FET分别在650V和1200V电压下用于3个关键领域:一是车载充电器,我们的SiC FET提供标准的栅极驱动替代功能和高频操作;二是DC-DC转换器,我们还提供高频操作和出色的体二极管性能;三是牵引逆变器,我们的SiC FET提供优越的短路能力,行业最低的RDS(on),因此,在给定的模块体积中损耗最低。

  我们在中国3个关键电动汽车应用领域都有大量的设计导入。这个设计导入过程中的设计遵循所有电源设计人员都习惯的做法。

  中国在碳化硅的应用方面一直处于领先地位,特别是在电动汽车领域的车载充电器和DC-DC转换器方面。目前,中国在SiC系统设计方面已经有了较为成熟的专业知识。

皇浦彩票投注  时至今日,中国的碳化硅晶体管技术仍源于国外。虽然还处于起步阶段,但我们确实看到中国在核心碳化硅技术上的投资是巨大的,可能是世界上最大的。

  我们看到,中国在电动汽车中使用碳化硅的增长是巨大的,不仅在DC-DC转换器和充电应用方面,而且在牵引逆变器方面。电动汽车的电路保护(断路器)等新领域也将推动大量碳化硅器件的使用。随着碳化硅产量的增加,成本也随之降低,使碳化硅更具成本效益。

  驱动器有助于提高设计效率

  ——德州仪器公司汽车营销经理Sridhar Nagarajan

  

 

  德州仪器(TI)为HEV/EV动力传动系统提供采用碳化硅(SiC)的隔离栅极驱动器。说到竞争优势,TI SiC产品组合具有许多优点,包括器件对器件(part-to-part)的低延迟匹配、高隔离等级和寿命以及高抗噪性。此产品组合中的栅极驱动器使设计师能够创建更小、更高效和更高性能的设计。有了TI驱动器,设计者可以通过强驱动电流、高CMTI和短传输延迟来提高设计效率。此外,使用具有快速集成短路保护和高浪涌抗扰度的驱动器可以实现稳健的隔离系统。通过在较高的PWM频率下开关SiC,可以减小系统的体积、重量和成本。

  UCC21710-Q1、UCC21732-Q1和UCC21750于2019年推出,是业界第一个为IGBT和SiC MOSFET提供集成传感功能的产品,有助于简化设计,并可在运行高达1.5 KVRMS的应用中实现更高的系统可靠性。利用电容隔离技术,UCC21710-Q1、UCC21732-Q1和UCC21750在提供高强度隔离等级、快速数据速度和高密度封装的同时,最大限度地延长了隔离屏障的使用寿命。

  TI还提供SiC参考设计,包括TIDA-010039、TIDA-01604和TIDM-1000。其他设计资源和内容可在ti。com/sic上获得。

  电动汽车仍然是钛碳化硅产品的投资领域。TI的隔离栅极驱动器,包括UCC21710-Q1、UCC21732-Q1、UCC21750-Q1和UCC21530-Q1,可用于电动汽车。应用包括车载充电器和牵引逆变器系统,针对+400-V BEV(电池电动汽车)。

 

  TIDA-01604 98.6%效率,6.6 kW图腾柱PFC HEV/EV车载充电器板参考设计

  德州仪器对与制造商合作的项目我不予置评,但我们对碳化硅的未来以及它将如何使设计师实现更高的功率密度和集成、稳健的系统感到兴奋。

  至于中国碳化硅技术和应用与其他国家相比有什么差距,这个问题的答案还不清楚,因为大多数汽车原始设备制造商和ODM都是在全球范围内运营的,其平台覆盖全球。

  我对SiC在中国汽车市场的总体预期是,随着时间的推移,越来越多的中国汽车原始设备制造商将采用SiC。

  器件的坚固性和可靠性最重要

  ——Microchip分立式电源管理部门战略营销经理Orlando Esparza

 

  Microchip提供700V和1200V的SiC SBD/MOSFET分立器件、片芯和模块产品,以及模块栅极驱动器和SiC参考设计解决方案。Microchip SiC二极管和SiC MOSFET从设计开始就考虑到了坚固性和可靠性。取决于器件系列和可靠的短路保护,这些器件不仅具有良好的雪崩额定值,可在10至25J/cm2条件下实现无阻尼感应开关(UIS),而且也证明了在100000次重复的RUIS测试循环后,运行稳定,几乎没有退化,而其他公司生产的SiC器件的性能下降了20%或更多。此外,对比我们的体二极管在SiC MOSFET器件中的情况,独立测试显示没有退化,而超过20%(甚至一个供应商达到100%)的竞争SiC MOSFET器件在10到100小时内严重退化或失效。

 

  采用Microchip SiC二极管和SiC MOSFET的30 kW应用参考设计

  Microchip支持电动汽车应用中的所有系统级需求,以控制、驱动和功率级应用为目标,有丰富的SiC片芯、分立式器件和模块选项、微控制器、栅极驱动和模拟外围解决方案,从而实现设计灵活性和降低设计复杂性。

  而且,根据Microchip致力于提供全系统解决方案的承诺,我们的AgileSwitch™产品线提供了一个数字可编程栅极驱动器解决方案,旨在通过我们独特的增强型开关(Augmented Switching™)方法最大限度地发挥SiC的效益。增强型开关可以方便地配置SiC MOSFET的开关时间和电压水平,从而实现更快的开关速度和更高的系统效率,同时降低SiC栅极驱动器开发的复杂性和时间。

  Microchip SiC产品已被设计成OBC、DC-DC转换器、动力总成逆变器和电动汽车充电器等应用。我们与包括中国在内的许多OEM和供应商有业务往来。所有汽车OEM和供应商的典型实施步骤包括对碳化硅技术、质量和商业适用性的评估。此外,通过台架试验,比较满足关键系统要求的碳化硅供应商的器件,确保设计成功,使用寿命长。Microchip支持对我们客户的碳化硅器件进行评估,以了解制造商之间的性能和可靠性差异。我们认为,可靠的器件对应用向这项新技术过渡至关重要。

  碳化硅是一项新技术,是从硅基设计向碳化硅基设计的重大转变。我们预计,在未来几年,中国将在宽带隙技术的快速发展中发挥重要作用,Microchip将继续通过这一转变为我们的客户提供支持。为了保持与全球汽车OEM的竞争力,我们希望看到中国汽车公司在逆变器、DC-DC转换器和OBC应用中采用SiC作为高压/大功率器件。

  新品迭出支持生产、认证、评估和开发

  ——安森美半导体宽禁带产品线经理Brandon Becker

 

  安森美半导体提供大范围的车用碳化硅(SiC)MOSFET和车用SiC二极管,包括:650 V SiC二极管、1200 V SiC二极管、1700 V SiC二极管、650 V SiC MOSFET(现提供样品,今年新品)、750 V SiC MOSFET(现提供样品,今年新品)、900 V SiC MOSFET,以及1200 V SiC MOSFET。

 

  电动汽车车载充电器用SiC MOSFET

  SiC的优势源于材料本身,具有比硅高10倍的电击穿场强,高2倍的电子饱和速度,高3倍的能带间隙,高3倍的热导率。其系统优势包括:更低功率损耗以实现最高能效,更高功率密度,更高工作频率,更高工作温度,更低电磁干扰(EMI),最重要的是更小系统尺寸和成本。

  SiC用于电动汽车的三个应用包括:牵引逆变器,车载充电器和DC-DC转换器。SiC可更高效地转换功率给牵引逆变器,更快地为电池充电,并支持整个汽车的大规模电源转换,最终使电动汽车行驶的里程更远,续航更长。

  虽整体而言SiC有很多优于硅的优势,但设计和制造专知对优化这些器件的性能至关重要。具体的分歧我不评论,但中国SiC仍需与国外一样证明其质量、可制造性和可支持性。

  安森美半导体现有SiC MOSFET和SiC二极管用于电动汽车。我们与世界各区域的车企有各种合作项目,实施阶段各有不同,包括生产、认证、评估和开发。

  我们对SiC车用的预期是延长行驶距离,快速高效地充电,以及创建最前沿的汽车设计,从而优化这些电动汽车的性能。

  推动弥补中国与其他先进国家差距

  ——CISSOID首席技术官Pierre Delatte

 

  早在2013年CISSOID就推出了首个碳化硅产品,即用于高压高温等恶劣环境的SiC MOSFET分立器件;随后又推出了系列耐高温的碳化硅MOSFET和肖特基二极管及驱动碳化硅门级高温驱动芯片组,并开发了完整的驱动电路解决方案。最近,公司推出了一款三相1200V/450A SiC MOSFET智能功率模块(IPM),其设计是特别针对电动汽车电机驱动应用而优化的,这些优化表现在、机械整合及热传导等各方面,在保证系统可靠性的前提下,显著提高了电机电驱系统的效率和功率密度。对于主机厂和电机驱动总成制造商而言,这个IPM可以更为充分的发挥碳化硅器件高效、高密度和高温特性,帮助他们大幅度加快产品上市时间。

 

  新推出的用于电子移动的SiC MOSFET智能功率模块

  CISSOID碳化硅产品的优势在于,它凝结了我们有20年以上的高温、高可靠系统产品经验和知识产权;我们的诸多产品包括碳化硅器件,长期用于石油、航空、轨道交通等恶劣环境下的高可靠芯片和系统。CISSOID基于碳化硅技术的不同功率等级的分立器件可以用于车用电驱空调、车载充电机(OBC)和电驱转向等核心部件。

  目前,中国的碳化硅技术和应用整体起步较晚,目前肖特基二极管器件与国外的水平已相当接近,而在MOSFET器件方面还存在一些差距,这些差距主要表现在大规模生产条件下的良率控制;目前已有部分国内厂家在这方面取得了良好的进展。其实,CISSOID的产品整合了西方和中国技术的优势,特别是在应用方面,公司与清华大学、中科院等顶级研发机构以及泰科天润和湖南国芯等碳化硅领域的领先中国公司都有长期而深入的合作,实现了许多中西技术方面的融合,有效弥补了中国与其他先进国家的差距。

  CISSOID的碳化硅产品和技术已用于新一代电动汽车的研发;我们已与主机厂及电机电驱制造公司有紧密的合作,目前正处于紧张的研发和测试阶段。

  在电动汽车领域,续航里程是衡量一款电动汽车的重要指标性参数之一;续航里程的增加,无法通过堆叠更多的车载电池来实现,必须要在电控电驱系统的效率、功率密度等方面深入挖潜,精打细算。较之IGBT,碳化硅的优势非常明显,未来必定会成为技术主流。另一方面,碳化硅杰出的高效率、高密度及高工作温度等特点,给电力电子、机械及热性能的整体优化和系统匹配带来了相当复杂的可靠性挑战。因此,越来越多的电动汽车厂商和电机制造商现在趋向于采用经过专业优化的智能功率模块,以求大大缩减研发负担并加快新车型的上市时间。CISSOID携二十多年的高温、高可靠系统设计经验,适时开发了适应电动汽车需求的智能功率模块。该产品一经发布,即受到了国内外诸多电动汽车及电机驱动总成厂商的热烈欢迎。

  整个EV市场最终将转向SiC

  ——Power Integrations营销副总裁Doug Bailey

 

  Power Integrations为最新的SiC MOSFET和模块提供驱动,目标是高效率的EV逆变器、总线转换器和电池充电器。SIC1181KQ和SIC1182KQ是单通道栅极驱动器,由我们的固体隔离器Fluxlink技术提供增强的电流隔离。高达±8 A的峰值输出驱动电流使产品能够驱动额定电流高达600/800 A(典型值)的器件。

  Power Integrations一直在与全球的电动汽车公司合作,从现有的400 VDC总线过渡到更高的800 V电池电压。这将产生更大的推进功率,显著缩短电池充电时间,并减少车辆重量和加热(由于较低的总线电流)。

  特别是在考虑到SiC时,Power Integrations的Fluxlink高速通信技术具有独特的稳健性。我们的SIC118xKQ系列碳化硅驱动器在电源轨或DC轨引起的爆炸事件后通过了HIPOT测试。这是一个重要的安全特性,因为它可以防止在系统故障后将高压施加到低压电路上。其他优点是一次侧和二次侧的欠电压锁定(UVLO),以及具有温度和过程补偿输出阻抗的轨对轨输出,即使在恶劣条件下也能保证安全运行。SIC118xKQ-SiC MOSFET驱动器还具有短路保护(在通电阶段和通电期间)和通过单个传感引脚通过高级有源箝位(在关断阶段)的过电压限制。对于带有电流检测端子的SiC MOSFET,可进行可调过电流检测。

  通过汽车认证的SIC118xKQ器件刚刚推出,但我们的Scale-iDriver技术已用于电动汽车很多年。我们的产品已应用于许多电动公共汽车、采矿卡车和其他具有挑战性的工业和大众运输电动汽车应用。

  我们不评论具体的客户设计,但一般来说,从小型客车到动车组,所有配备高压电源的车辆都有PI的产品。

 

  采用Scale-iDriver技术的碳化硅驱动器

  乘用车市场本质上是全球性的,我们不认为存在地区差距。很明显,汽车制造商在速度、方法和对电动汽车的承诺以及在使用SiC方面的进步方面存在差异,但Power Integrations预计,整个市场最终将转向SiC。

  我们预计对SiC和相关驱动的需求将会增长,特别是当我们从400V架构过渡到800V甚至更高的架构时。

  由于Power Integrations一直在积极地与汽车客户(其中许多客户位于中国)合作,通过将SiC技术的高压性能(1.5 kV/1.7 kV)作为电源开关集成到汽车应用中PI的反激IC中,我们感到我们具有很大优势。我们能够利用数十年的经验,将高压开关技术(Si、GaN、SiC)与最先进的控制技术相结合。这使得电源在800 VDC输入时达到了领先的89%的满载效率和16 mW的超低空载输入功率。鉴于电动汽车对热性能的严格要求,这种性能变得越来越重要。同样,高集成度的采用SiC的Power Integrations IC有助于实现小型设计。

  *内容包含Power Integrations产品营销经理Edward Ong。

  利用高压隔离技术推进碳化硅效能

  ——ADI中国汽车技术市场高级经理王星炜

 

  实际上,以碳化硅为代表的新一代高频、高效电力电子将会在电动车上普遍使用,使得车载充电器和DC-DC转换器更高效,也会推动动力电机向小型、高效、低成本的方向发展。新型功率开关还将促使其控制元件发生变化,其中包括栅极驱动器。以高压隔离栅极驱动芯片为例,面对恶劣工作环境,ADI通过取代光学器件与分立元器件来减小尺寸、减轻重量,以降低系统成本。ADI还建造了专门的制造厂,在标准硅晶圆上制作高性能的金线圈,贴装电子元器件时针对系统进行优化,最大限度地提高系统效率。该系列产品是利用ADI高压隔离技术实现的,其特性非常适合于新一代碳化硅的驱动。

  ADI ADuM4135是一款采用最新iCoupler®技术的隔离式栅极驱动器。这种隔离技术可实现100 kV/µs的共模瞬变抗扰度(CMTI)且传播延迟为50 ns(典型值),以更高开关频率驱动SiC MOSFET。加上去饱和保护等快速故障管理功能,设计人员可以正确驱动高达1200 V的单个或并联SiC MOSFET。

 

  eval-MICROSEMI-SIC评估板

  目前,用基于碳化硅功率MOSFET设计的转换器可实现更高效率,与硅IGBT比较显示,效率提高了5%(最大负载)到20%(部分负载)。对于这些DC-DC转换器,从硅IGBT转向SiC MOSFET带来了巨大的效率优势,还节省了空间,减小了重量,但价格却有所增加。不管是中国还是国外的碳化硅技术,目前与其传统同等MOSFET/IGBT产品相比,碳化硅器件的价格仍然较高,传统开关技术仍将在未来一段时间内继续占据市场。随着国内碳化硅技术的广泛应用,将缩小价格差距,从而逐渐取代传统开关技术。

皇浦彩票投注  基于碳化硅等材料的新型功率开关技术的出现促使性能大幅提升,超越了基于MOSFET和IGBT技术的传统系统。更高的开关频率将减小元件尺寸,从而减小成本、系统尺寸和重量;这些是汽车等市场中的主要优势。

  电动汽车的电机驱动系统性能实际上决定了整车的性能,包括驾乘性能、动力性能以及续驶里程。因此,下一代电驱动产品特征应该是以集成化、模块化、定制化、新材料和新工艺的应用达到整车对电机驱动系统高效、高功率密度、高可靠和低成本的要求。因此碳化硅作为下一代宽禁带半导体技术在电机系统具有良好的应用前景。

  争取早日实现批量应用

皇浦彩票投注  ——基本半导体总经理和巍巍

 

  基本半导体的车用碳化硅产品主要有三类:碳化硅肖特基二极管、碳化硅MOSFET分立器件、车规级碳化硅功率模块。基本半导体的碳化硅二极管具有低导通电阻、低漏电和高抗浪涌电流能力等特点,主要应用于新能源汽车车载充电机(OBC)的PFC电路,在PFC电路上使用碳化硅二极管,可以降低开关器件的损耗,提升PFC电路的效率。基本半导体的碳化硅MOSFET分立器件主要应用于新能源汽车双向充电机(双向OBC)和车载DC-DC转换器,在上述设备中使用碳化硅MOSFET,可以有效提升设备效率,缩小设备体积,提升设备功率密度。基本半导体的碳化硅功率模块具有低杂散电感、低热阻等特点,在新能源电机控制器中应用,可以提升动力系统逆变器转换效率、缩小体积、降低重量,进而提高新能源汽车的能源效率和续航里程。

 

  为新能源汽车主逆变器应用推出的1200V车规级全碳化硅功率模块

  从原材料及晶圆来看,目前国内外差距还比较大,国外厂商在碳化硅原材料上占据绝对主导地位;晶圆方面,部分国外厂商已经开始大批量采用150mm工艺,国内厂商尚处于150mm工艺的开发阶段。从器件来看,国外大牌友商在技术上相比国内至少领先一代产品。国外大牌碳化硅二极管的衬底减薄技术已经批量应用,国内尚处于产品开发阶段;国外碳化硅MOSFET已经批量应用,国内能自主研发销售碳化硅MOSFET的企业屈指可数。基本半导体在2018年9月发布首款通过工业级可靠性测试的碳化硅MOSFET,目前1200V系列多款碳化硅MOSFET均已实现批量出货,在国内处于相对领先位置。从应用上方面来看,目前新能源汽车上应用的碳化硅器件还是以进口为主,国内品牌大部分处于推广前期。

  现在,基本半导体碳化硅器件已经在国内车载电源OBC客户和新能源汽车上实现批量应用。同时我们与国内多家整车厂就全碳化硅功率模块的测试应用达成合作协议,正在一些主机厂进行前期测试工作。此外,基本半导体参与了由国家新能源汽车技术创新中心主导的“国产自主车规半导体测试认证”项目,目前已完成了在吐鲁番的高温测试和内蒙古海拉尔的极寒测试。另外,一辆搭载基本半导体碳化硅MOSFET和碳化硅肖特基二极管的新能源汽车,至今已累计无故障行驶300多天,运行里程超过2。2万公里。

 

  新能源汽车是碳化硅最主要应用场景之一,也是最大的市场之一,特斯拉已经给其他整车厂做出了表率。从目前新能源汽车行业的发展需求和趋势来看,碳化硅车用的趋势不可逆转,尤其是应用于电机控制器的碳化硅模块,将逐步取代目前的硅基IGBT,逐步成为行业的新宠儿。

 
 
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