汽車功率半導(dǎo)體：IGBT與SiC，誰(shuí)能更勝一籌？

目前，全球新能源汽車發(fā)展方興未艾，而中國(guó)是一塊重要市場(chǎng)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2011到2016年，中國(guó)電動(dòng)汽車年產(chǎn)量從不足5000輛，發(fā)展到51萬(wàn)輛，保有量從1萬(wàn)輛提升到100萬(wàn)輛，均占全球50%，處于領(lǐng)先地位。2018年，中國(guó)新能源汽車產(chǎn)量達(dá)到127萬(wàn)輛，繼續(xù)保持大幅增長(zhǎng)勢(shì)頭。

上周，在北京舉行的中國(guó)國(guó)際新能源汽車功率半導(dǎo)體關(guān)鍵技術(shù)論壇（PSIC 2019）上，20余名國(guó)內(nèi)外知名專家、學(xué)者、企業(yè)負(fù)責(zé)人圍繞業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)話題發(fā)表了主題演講。中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開(kāi)發(fā)院電機(jī)電驅(qū)動(dòng)研究所所長(zhǎng)趙慧超，中科院電工所研究員溫旭輝，中國(guó)工程院外籍院士、美國(guó)國(guó)家工程院院士汪正平，宏微科技（MACMIC）總裁趙善麒分別就中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、電機(jī)逆變器IGBT功率模塊環(huán)境可靠試驗(yàn)評(píng)測(cè)技術(shù)、高功率密度SiC車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器研發(fā)，以及電動(dòng)汽車用功率半導(dǎo)體器件現(xiàn)狀與發(fā)展等主題做了深入的分析和探討。

據(jù)宏微科技總裁 趙善麒介紹，在全球電動(dòng)車功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，功率控制單元中所消耗的功率半導(dǎo)體器件價(jià)值最多，而輕混電動(dòng)車的發(fā)展速度最快，具體如下圖所示。

在功率模塊方面，電動(dòng)汽車用半導(dǎo)體功率模塊占模塊總量的比例在未來(lái)5年會(huì)有所增長(zhǎng)，2017年，該市場(chǎng)規(guī)模為34億美元，Yole預(yù)計(jì)2023年將達(dá)到52億美元，較2017年增長(zhǎng)50%。

車用IGBT

目前，新能源汽車已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展軌道，其發(fā)展也逐漸由政策導(dǎo)向轉(zhuǎn)為市場(chǎng)導(dǎo)向。在此基礎(chǔ)上，新能源車關(guān)鍵零部件已進(jìn)入充分競(jìng)爭(zhēng)期，保證質(zhì)量、降低成本是重要課題。

來(lái)自中國(guó)一汽的趙慧超所長(zhǎng)表示，車用功率模塊（當(dāng)前的主流是IGBT）決定了車用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，同時(shí)占電機(jī)逆變器成本的40%以上，是核心部件。

而據(jù)趙善麒介紹，IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)器成本的三分之一，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器約占整車成本的15~20%，也就是說(shuō)，IGBT占整車成本的5~7%。2018年，中國(guó)新能源汽車銷量按125萬(wàn)輛計(jì)算的話，平均每輛車大約消耗450美元的IGBT，所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT。

關(guān)于失效分析，趙慧超表示，IGBT模塊是由層疊結(jié)構(gòu)的、不同材質(zhì)的材料，通過(guò)焊接、燒結(jié)、共晶粘結(jié)等工藝制成。各層材料的機(jī)械強(qiáng)度、膨脹系數(shù)不同，抗拉伸、抗撕裂和抗疲勞性能也各不相同。這些都是IGBT失效的主要影響因素。

統(tǒng)一質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)充分競(jìng)爭(zhēng)，是當(dāng)前汽車行業(yè)對(duì)功率模塊產(chǎn)品的迫切需求。而對(duì)IGBT的考核是重中之重，涉及到具體的考核要求，可分為3類試驗(yàn)，分別是：IGBT模塊的電氣額定/峰值試驗(yàn)，電熱特性試驗(yàn)，以及環(huán)境和可靠性試驗(yàn)。

在談到IGBT的發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，趙善麒表示，在技術(shù)層面，IGBT芯片經(jīng)歷了一系列的迭代過(guò)程，包括從PT向NPT，再到FS的升級(jí)，這些使芯片變薄，降低了熱阻，并提升了Tj；IEGT、CSTBT和MPT的引入，持續(xù)降低了Vce，并提高了功率密度；通過(guò)表面金屬及鈍化層優(yōu)化，可滿足車用的高可靠性要求。

除了技術(shù)層面，IGBT在結(jié)構(gòu)上也有創(chuàng)新，如出現(xiàn)了RC-IGBT，以及將FWD與IGBT集成到一起的設(shè)計(jì)；此外，在功能上也有集成，如集成電流、溫度傳感器等。

車用SiC器件研發(fā)進(jìn)展

在當(dāng)今的功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，SiC器件越來(lái)越受到重視，車用的功率半導(dǎo)體也不例外。那么，市場(chǎng)為什么會(huì)如此青睞SiC呢？對(duì)此，趙善麒總結(jié)道：1、SiC器件的工作結(jié)溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達(dá)20kV，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件；2、SiC器件體積可減小到IGBT整機(jī)的1/3~1/5，重量可減小到40~60%；3、SiC器件還可以提升系統(tǒng)的效率，進(jìn)一步提高性價(jià)比和可靠性。

在電動(dòng)車的不同工況下，SiC器件與IGBT的性能對(duì)比情況如下圖所示，不同工況下，SiC的功耗降低了60~80%，效率提升了1~3%。

因此，效率的提升使得電動(dòng)汽車的續(xù)航能力提高了10%，PCU的尺寸減小到原來(lái)的1/5，更為重要的是，系統(tǒng)成本比IGBT的有明顯下降，如下圖所示。

目前，在全球范圍內(nèi)，SiC MOSFET的主流供應(yīng)商包括Cree、Rohm和英飛凌等，而從歐美日這三家代表廠商的SiC MOSFET橫向?qū)Ρ葋?lái)看，其產(chǎn)品元胞結(jié)構(gòu)技術(shù)能力各不相同，而它們的產(chǎn)品發(fā)展方向都趨向于更高電壓、更大電流或更高的電流密度。

當(dāng)然，有優(yōu)勢(shì)就有不足，趙善麒認(rèn)為，SiC芯片目前面臨的挑戰(zhàn)主要包括：1、成品率低，成本高；2、SiC和SiO₂界面缺陷多，柵氧長(zhǎng)期可靠性是個(gè)問(wèn)題；3、SiC MOSFET缺少長(zhǎng)期可靠性數(shù)據(jù)。

談到SiC器件研發(fā)進(jìn)展，特別是SiC混合開(kāi)關(guān)模塊存在的問(wèn)題時(shí)，中科院電工所研究員溫旭輝女士表示，當(dāng)前，SiC芯片載流能力低，而成本過(guò)高，同等級(jí)別的SiC MOSFET芯片，其成本是硅基IGBT的8~12倍。功耗方面，SiC MOSFET先于硅基IGBT開(kāi)通，后于IGBT關(guān)斷，而IGBT可以實(shí)現(xiàn)ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)），可大幅降低損耗。

因此，總體來(lái)看，硅基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%，而成本則是SiC MOSFET的25%，

溫旭輝表示，在進(jìn)行SiC混合開(kāi)關(guān)模塊門(mén)極驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)，存在著SiC芯片高速關(guān)斷時(shí)，會(huì)引起IGBT誤動(dòng)作的問(wèn)題，而解決這一問(wèn)題的方法是：1、使用具有Miller鉗位功能的驅(qū)動(dòng)芯片；2、優(yōu)化門(mén)極驅(qū)動(dòng)PCB，降低相關(guān)路徑的雜散阻抗。

綜上，溫旭輝認(rèn)為，由于硅便宜又好用，因此，SiC和硅混合開(kāi)關(guān)模塊會(huì)有很大的市場(chǎng)應(yīng)用前景，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統(tǒng)當(dāng)中普及，還需要時(shí)間。

此外，來(lái)自ASM的丁佳培博士、華虹宏力技術(shù)總監(jiān)楊繼業(yè)、賀利氏營(yíng)銷經(jīng)理盧飛、士蘭微高級(jí)研發(fā)經(jīng)理顧悅吉、基本半導(dǎo)體營(yíng)銷總監(jiān)蔡雄飛、奧魯比Helge Lehmman、KnS應(yīng)用經(jīng)理陳蘭蘭、友強(qiáng)國(guó)際技術(shù)總監(jiān)周丹、上汽英飛凌總經(jīng)理王學(xué)合、清華大學(xué)教授李永東、聯(lián)合電子研發(fā)總監(jiān)孫輝、采埃孚研發(fā)中心專家梁小廣、泰科天潤(rùn)技術(shù)總監(jiān)李志君、origin中國(guó)區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理馬卿、清華大學(xué)副教授陸海峰，以及西安交通大學(xué)教授王來(lái)利，分別就產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的熱點(diǎn)問(wèn)題做專題報(bào)告。在交流環(huán)節(jié)，與會(huì)代表圍繞新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)、IGBT核心技術(shù)研發(fā)、關(guān)鍵生產(chǎn)工藝等展開(kāi)了熱烈的討論。

在論壇同期的展覽展示上，士蘭微、賀利氏、奧魯比斯、ASM、友強(qiáng)國(guó)際、富事德作為本次金牌贊助單位并現(xiàn)場(chǎng)展示最新技術(shù)產(chǎn)品，上汽英飛凌、宏微科技、基本半導(dǎo)體、衛(wèi)光科技、天麗晶、中好蔚萊、天楊電子、翱晶、勵(lì)芯泰思特等49家產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)主流企業(yè)展示了代表當(dāng)下最先進(jìn)水平的產(chǎn)品和技術(shù)。

PSIC 2019

PSIC 2019由中國(guó)電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、北京電力電子學(xué)會(huì)、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電力電子分會(huì)、汽車電子元器件標(biāo)準(zhǔn)工作委員會(huì)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電氣節(jié)能專委會(huì)、中國(guó)電源學(xué)會(huì)元器件專委會(huì)、中國(guó)新能源汽車功率半導(dǎo)體關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國(guó)功率器件封測(cè)設(shè)備與材料產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主辦，北京清泉咨詢服務(wù)有限公司承辦。