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英飞凌采访:第三代半导体与硅器件将长期共存

发布时间:2022-07-22作者来源:萨科微浏览:1092


氮化镓和碳化硅同属第三代半导体,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?

相似之处:相较于传统的硅材料,以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,具有更大的禁带宽度、更高的临界场强,使得基于这两种材料制作的功率半导体具有耐高压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性。


不同之处及分别适用于哪些应用:碳化硅和氮化硅这两种宽禁带半导体材料之间也存在着诸多差异。


适用的电压等特性不同目标应用不同:碳化硅适用的电压范围为650 V-3.3 kV,是1200V以上的高频器件,同时兼有功率密度高的特点,有着广泛的应用领域,比如太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、燃料电池中的高速空气压缩机、DCDC和电动汽车电机驱动以及数字化趋势下的数据中心等等,这些都将成为碳化硅的应用市场。英飞凌在这些市场向超过3000个客户供应碳化硅产品。


相对于碳化硅,氮化镓适用的电压范围会低一些,从中压80 V到650 V。不过它具有快速开关频率的特性,氮化镓的开关频率可以达到MHz级,因此它适用于开关频率[敏感词]的中等功率应用,例如快充、数据中心等。


SiC/GaN增长前景:一般来说:碳化硅市场的增长是强劲的。最初,需求主要由工业应用驱动,例如太阳能和电动汽车充电等,到现在,这一需求正日益被汽车应用的高需求所超越。另一种非常有前途的半导体材料是氮化镓。例如,在结构紧凑、高性能和特别高效的充电系统领域,例如消费类设备的充电器以及电信设备的电源装置等应用,特别显现其优势。氮化镓市场也将呈现高速增长:从4700万美元(2020年)到8.01亿美元(2025年)(CAGR:76%)。


英飞凌的主要产品:相对于友商,英飞凌的优势是同时拥有硅、氮化镓、碳化硅三种主要的功率半导体技术,在半导体设计、生产和各种应用领域积累了丰富的经验,这样可以完全做到以客户需求为导向,为其提供出色的产品和解决方案,从而满足客户独特的应用需求。


02
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?


进入后摩尔时代,一方面,人类社会追求以万物互联、人工智能、大数据、智慧城市、智能交通等技术提高生活质量,发展的步伐正在加速。另一方面,通过低碳生活改善全球气候状况也越来越成为大家的共识。


目前全球能源需求的三分之一左右是用电需求,能源需求的日益增长,化石燃料资源的日渐耗竭,以及气候变化等问题,要求我们去寻找更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式。


在整个能源转换链中,第三代半导体技术的节能潜力可为实现长期的全球节能目标做出很大贡献。除此之外,宽禁带产品和解决方案有利于提高效率、提高功率密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本,因此将在交通、新能源发电、储能、数据中心、智能楼宇、家电、个人电子设备等等极为广泛的应用场景中为能效提升做出贡献。


例如在电力电子系统应用中,一直期待1200V以上耐压的高速功率器件出现,这样的器件当今非SiC MOSFET莫属。


除高速之外,碳化硅还具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,尤其适合对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。


功率密度是器件技术价值的另一个重要方面。SiC MOSFET芯片面积比IGBT小很多,譬如100A 1200V的SiC MOSFET芯片大小大约是IGBT与续流二级管之和的五分之一。因此,在电机驱动应用中,SiC MOSFET的价值能够得到很好的体现,其中包括650V SiC MOSFET。


在耐高压方面,1200V以上高压的SiC高速器件,可以通过提高系统的开关频率来提高系统性能,提高系统功率密度。这里举两个例子:


a) 碳化硅器件作为高压、高速、大电流器件,简化了直流桩充电模块电路结构,提高单元功率等级,功率密度显著提高,这为降低充电桩的系统成本铺平了道路。


在电动汽车直流充电桩的功率单元,如果采用Si MOSFET,则需要两路串联,而如果采用SiC MOSFET,单路就可以实现,从而大大提高充电桩的功率单元单机功率。


采用英飞凌的碳化硅单管,充电模块的功率可以达到30千瓦以上。采用英飞凌的碳化硅模块,充电模块的功率可以达到60千瓦以上。而采用MOSFET/IGBT单管的设计还是在15-30千瓦水平。


b) 三相系统中的反激式辅助电源,1700V SiC MOSFET也是完美的解决方案。


在可靠性和质量保证方面,SiC器件有平面栅和沟槽栅两种类型,英飞凌的沟槽栅SiC MOSFET能很好地规避平面栅的栅极氧化层可靠性问题,同时功率密度也更高。


正是由于SiC MOSFET这些出色的性能,其在光伏逆变器、UPS、ESS、电动汽车充电、燃料电池、电机驱动和电动汽车等领域都有相应的应用。


然而,碳化硅是否会成为通吃一切应用的[敏感词]解决方案呢?


众所周知,硅基功率半导体的代表——IGBT技术,在进一步提升性能方面遇到了一些困难。开关损耗与导通饱和压降降低相互制约,降低损耗和提升效率的空间越来越小,于是业界开始希望SiC能够成为颠覆性的技术。但是,这样的看法不是很全面。首先,以英飞凌为代表的硅基IGBT的技术也在进步,伴随着封装技术的进步,IGBT器件的性能和功率密度越来越高。同时,针对不同的应用而开发的产品,可以做一些特别的优化处理,从而提高硅器件在系统中的表现,进而提高系统性能和性价比。因此,第三代半导体的发展进程,必然是与硅器件相伴而行,在技术发展的同时,还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量,期望第三代器件很快在所有应用场景中替代硅器件是不现实的。


03
随着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?

新能源汽车:


在新能源汽车相关领域,续航里程和电池装机量是关键,SiC技术能够显著的提升续航里程,或者相同续航里程下,降低电池装机量和成本。因此,SiC正在越来越多地被采用,特别是在牵引主逆变器、车载充电机OBC以及高低压DC-DC转换器中。


SiC为上述应用带来的技术优势:


牵引主逆变器:

  • 提升电池利用率超过5%

  • 更高功率密度可减小系统尺寸

  • 轻载情况下具有更低导通损耗

  • 比硅基IGBT更低的开关损耗

  • 对冷却要求较低,被动元件更少,进而降低系统成本

  

车载充电机OBC及DCDC:

  • 更快的开关速度有助于减少被动元件,从而提升功率密度,或者实现更小的尺寸。

  • CoolSiC™车规级MOSFET在高速开关的情况下具有业界[敏感词]的开关损耗

  • 在PFC和DC-DC阶段,车载充电机的效率可提升1%,因而冷却要求更低。

  • 在图腾柱拓扑结构中支持双向充电

  

这里需要强调的是,在未来数年中,不同的半导体技术将并存于市场中,在不同的应用场景中分别具有特殊的优势。在牵引逆变器中,基于不同的里程、效率和成本考量,SiC和硅基IGBT各有各的发挥空间。例如,SiC用于后轮主牵引驱动,可提升巡航里程;而硅基IGBT则用于前轮,以便优化成本。在[敏感词]情况下,例如车载充电机中,在同一架构下,会同时采用多达五种不同的半导体技术,包括IGBT,硅基二极管、硅基MOSFET,超结MOSFET和SiC MOSFET。


英飞凌在汽车级碳化硅产品方面的布局:


英飞凌针对多种xEV系统已经推出了广泛的SiC的解决方案及全方位的车规级产品系列,包括CoolSiC™车用二极管、CoolSiC™车用MOSFET、全SiC模组的HybridPACK™Drive CoolSiC™等。


近期来看,我们在2021年3月份发布了能提供业界[敏感词]开关和导通损耗的650V CoolSiC™Hybrid分立器件。与对应的硅器件相比,它具有更高的可扩展性,已广泛用于多款车型。该器件在图腾柱拓扑中以理想的性价比完美契合了双向充电的趋势。


在5月份,英飞凌发布了用于牵引逆变器的HybridPack-Drive CoolSiC™产品。HybridPack-Drive系列产品的发货量已超过一百万片,被用于全球超过20个汽车平台。新的HybridPack-Drive CoolSiC™产品是市场上[敏感词]经过车规认证的模组,与对应的硅器件相比,可扩展能力很强,可轻松覆盖180kw功率段。该产品基于我们改进的沟槽栅MOSFET技术,同时具备高可靠性和高性能的特点。该产品可用于800伏电池系统,具有2个可选择的电流等级,并已在现代汽车(Hyundai)800V e-GMP平台新款车型Ioniq 5上投入使用。


英飞凌的Si和SiC产品线均具有很高的可扩展性,这是我们区别于其他品牌的重要特征。用户可根据需要在我们的Si和SiC产品线中自由选择不同的封装、电压等级、功率等级,总而实现很高的设计灵活性,加速产品上市进程,降低设计难度。这一特点在诸如电动汽车之类的快速变化的市场上,是客户非常重视的考量因素。此外,我们产品高效率特性帮助客户实现了提升电动车续航里程的设计目标。


下图为英飞凌汽车级CoolSiCTM产品的列表


充电桩:关于充电桩的部分,请参考第3个提问


04
数据中心是节能降耗的一个重要应用领域,您认为第三代半导体可以在哪些方面提升数据中心的能源利用效率?在数据中心中,哪些第三代半导体的产品可以得到广泛的应用。第三代半导体的应用又会如何影响数据中心功能的升级?

其实数据中心的能耗是非常大的。2021年耗电量大概是937亿度电。也就是说大部分能耗其实是来源于IT设备的消耗,但是整个电源的输电结构、配电结构也决定了整个数据中心的能效。所以我们看到一个新的趋势,有可能会由现在的传统UPS的配电结构转变成以电力电子变压器SST为主要接口的一体化的供电,是直流供电系统。


基于碳化硅技术,有助于这种电力电子变压器直接将10千伏的市电转化成380伏的直流。就当前实际已经开始使用的案例来看,供电效率能够提升到95%以上,而直流配网的效率也可以提升到97%以上,所以相信在这一领域,未来在2022年也会有更多长足的发展和验证。在这一进程中,我们也非常期待用英飞凌先进的碳化硅技术,保障数据中心的供电连续性和安全性。

05
随着第三代半导体材料的推广应用,氮化镓除了在快充领域迅速占领市场以外,未来还将可能在哪些领域崭露头角?贵公司有哪些产品和方案?
氮化镓市场的发展变化:这两年硅基氮化镓开关器件的商用化进程,和五年前市场的普遍看法已经发生了很大的变化,其中有目共睹的是基于氮化镓件的高功率密度快充的快速成长。这说明影响新材料市场发展的,技术只是众多因素当中的一个。未来五年,我们比较看好的氮化镓的应用领域包括:消费类快充、服务器/通信电源,马达驱动,工业电源,音响,无线充电,激光雷达等,其中快充会继续引领氮化镓开关器件的市场成长。


氮化镓落地的技术挑战及英飞凌的解决方案:作为功率开关器件的硅基氮化镓在商用化的进程中,除了性能和价格,最引起关注的话题是长期可靠性。目前氮化镓开关器件绝大多数都是在硅衬底上生长氮化镓,并以二维电子气作为沟道的GaN HEMT。从2010年IR发布的业界[敏感词]款硅基氮化镓开关器件到现在,整个业界对硅基氮化镓的研究可以说已经很深入了,但真正大规模的应用还是在最近几年的事。相对而言,硅乃至碳化硅在市场上运行的时间要长得多,现存器件数量也大得多,因此氮化镓相对其他两种材料而言,可供分析的失效案例要少很多。这也是消费类的快充成为氮化镓快速成长引擎的其中一个原因。另外,因为硅基氮化镓超小的寄生参数,使其为用户带来极低开关损耗的优势之外,也大大提高了驱动此类器件的难度。


英飞凌很早就将着眼点放在硅基氮化镓可靠性的研究实践上,并在JEDEC标准之上增加了多重措施,确保我们生产的硅基氮化镓的长期可靠性远高于市场平均水平。另外,硅基氮化镓的长期可靠性与器件在其应用场景中的电压摆幅、开关频率、占空比、温度等等都高度相关。因此我们建议用户在产品设计中,与硅基氮化镓供应商的技术支持人员就具体应用场景做深度交流,以对长期可靠性做出评估。在器件驱动方面,英飞凌开发了专用的氮化镓驱动器,减轻了用户设计驱动电路时的压力。


06
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?


  • 今天,英飞凌引领着SiC的工业应用市场,并以业界最广泛和最可扩展的产品组合成功地推动SiC在汽车领域的应用。公司直接或通过分销向3,000多个客户供货。20多年来,碳化硅(SiC)对英飞凌来说一直很重要。早在2001年,我们就已经在市场上推出了基于SiC的产品和解决方案。

  • 在去年10月份的资本市场日上,英飞凌提出了对碳化硅和氮化镓(GaN)业务的展望。英飞凌预计,本财年碳化硅业务将增长90%,到2025年左右销售额将达到10亿美元,占有30%的市场份额。

  • 为了确保供应的可靠性,英飞凌依靠广泛的供应商网络和与不同合作伙伴的共同努力。

  • 英飞凌还宣布,将投资20多亿欧元在居林建立一个厂区,主要生产化合物半导体。我们还将继续扩大菲拉赫的产能。

  • 2018年,英飞凌战略性地收购了Siltectra公司的晶圆和晶锭切割技术,通过大幅减少SiC生产过程中的原材料损耗来提高产出,从而提升了我们的竞争优势。

07
这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?

至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代[敏感词]代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。


当然,我们可能在市面上看到一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体,那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体。


在可预见的将来,基本上硅基半导体还是会占据大部分市场。碳化硅主要用在高功率、高电压的场景。氮化镓则主要是用在追求超高频率的场景,手机快充就是一个很显著的例子。





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