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英飞凌碳化硅器件将大显身手

admin
2021-09-26
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深圳PCIM Asia期间,英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级市场总监沈璐女士介绍了英飞凌CoolSiC™的20年商用化发展历程。在接受采访时,她表示CoolSiC™碳化硅器件将大有所为,主要体现在以下两个方面:首先是需求比较旺盛的电动汽车行业,其次是工业领域的三大板块(光伏和储能、充电设施以及各类电源应用,特别是UPS)都需要大量的SiC器件。

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英飞凌工业功率控制事业部大中华区高级市场总监沈璐

在功率半导体领域持续创新

沈璐表示,一直以来英飞凌都在积极推进创新,并在功率器件领域创新方面已经领先了15年,在世界范围内获得了最高的市场份额。以技术创新为企业核心价值观的理念,倒逼英飞凌去拥抱新的材料和新的技术。无论是从创新还是从企业社会责任角度出发,英飞凌都会不遗余力地在碳化硅领域做出自己的贡献。

事实上,新材料和新技术革新这个话题的未来远景虽然看上去很美好,但在长期实践过程中,持续投入的资源以及对行业的深度理解则需要经过长期沉淀,才能输出创新。德国公司向来注重品质和可靠性,在长达30年的时间里,英飞凌不断地进行技术打磨和沉淀,最终帮助新材料在新应用中快速成长。

碳化硅面临的两大挑战

近年来涉足碳化硅的企业越来越多,竞争在所难免。沈璐指出,不只是老牌硅器件企业,有很多新兴的科技公司也积极投入到了这一热潮中,碳化硅领域现在是一个众人拾柴火焰高的发展阶段。对于所有相关企业来说,都不可避免地面临着两大挑战:一是可靠性问题。英飞凌通过近30年的实践才最终摸索出了一套更立足长远、更具有战略优势的技术路线;二是碳化硅技术应用的能力。如何利用好碳化硅,需要摆脱源自硅器件使用的传统经验和思维。致力于拓展碳化硅应用,英飞凌在为成熟行业的领先客户、领先设计做好技术服务的同时,已经积极参与到了新兴行业的一些早期预研项目当中。

拿氢燃料电池行业来举例,随着相关市场政策的落地及产业链优化,氢燃料电池正在迎来一个由成长到成熟的发展阶段,该行业的快速成长期或许就在未来不远处。在这一过程中,高速空压机的转速会达到上万转,甚至可能是10万转,国际上技术水平最高的高速空压机转速能达到30万转。但是,光靠硅器件完全不可能实现这样的功率应用效果,因此对于很多其他成熟行业来说,碳化硅也许只是锦上添花,对于氢燃料电池行业来说可能就是雪中送炭了。在这些新兴应用中,客户很多时候也在摸着石头过河。英飞凌非常荣幸能够伴随中国客户实现这些新兴应用,参与新技术、新服务,与客户一起摸索特别适合中国客户、中国市场的快速迭代技术,推动这些新兴行业走上正轨。

成熟的供应链至关重要

沈璐认为,把握碳化硅的应用时机非常关键。整个产业链、供应链不断成熟,英飞凌在器件量产上也积累了丰富的经验,公司内部还设立了专门的碳化硅研发加速项目。由于研发项目的加速推进以及营收增长的持续推动,英飞凌的碳化硅产品得到了广泛关注。无论是新品发布,还是目标市场覆盖,都呈现越来越活跃的态势。

目前,英飞凌在全球为来自各行各业的客户提供标准化产品和定制化技术服务,SiC活跃用户已超过三千家。在英飞凌发布的200多款产品中与客户联合定制的就超过130种。

实际上,碳化硅产品的应用大多分为两种情况,一种是针对传统应用衍生出的新系统和新设计,另一种则是面向一些全新应用市场。因此能够帮助客户优化系统的碳化硅产品未见得都是标准产品。英飞凌凭借对系统和应用的深入理解,以及与客户的紧密沟通,能帮助客户找到他们真正需要的碳化硅定制产品类型,这一点也是英飞凌产品差异化的体现。

碳化硅在汽车领域的应用前景

沈璐介绍说,目前国内外超过20家整车厂和Tier1供应商正在使用及评估英飞凌的碳化硅产品。同时,英飞凌的HybridPACKTM Drive车规级碳化硅模块也已在在亚洲一家主要电动车厂家的逆变器系统中量产。另外,英飞凌的CoolSiC™ Schottky二极管已经应用在欧洲一个汽车平台的OBC系统中,并且正在准备量产。由于车载电子元器件的认证需要一个比较长的时间周期,我们也非常期待未来马路上能够出现更多搭载英飞凌碳化硅器件的汽车。

除此以外,英飞凌下一代碳化硅技术的研发也在深入拓展当中。秉承以客户需求为导向的原则,英飞凌正在与一些核心整车厂客户进行交流,得到了非常积极的反馈。

她同时指出,客观上讲,碳化硅产品在汽车领域的应用是有选择性的,不是对硅产品的全面替代,碳化硅产品所发挥的作用更多是对硅器件的延伸或补充。例如,四驱大功率高级轿车和高级SUV等续航里程比较长、电池容量比较大的车型,通常需要大功率支持,使用碳化硅做主驱设计有助于缩小电池体积,或者有效增程。而英飞凌研发的碳化硅产品在这方面的性能表现是非常卓越的。

但是, 对于普通的城市家用小型电动车,电池装机量较小;或者在辅助驱动轴设计中,由于经常使用急加速工况导致电流上升快,SiC的芯片小热阻大,使用SiC的设计就需要保留较大设计余量,性价比并不那么理想。主机厂会更倾向于选择Si器件产品。

碳化硅器件驱动难题如何化解?

至于碳化硅器件在设计和使用中有哪些难点或挑战,沈璐认为主要是驱动回路设计。由于碳化硅更适合高频开关场景,所以驱动回路的设计需要包括短路保护设计以及整个功率回路的布局和优化,这决定了是否能够充分释放碳化硅的优势。

另外,每个开关都需要一个最佳驱动,而业界很少有既能够提供碳化硅器件,又能提供驱动的厂商。英飞凌恰恰就是其中之一,这也是英飞凌给客户提供的一项非常具有优势的附加值。同时使用英飞凌的驱动器和碳化硅产品,可以给客户带来最佳的碳化硅驱动效率。从硅转向碳化硅,设计挑战中就包含了驱动合规的设计。英飞凌标准的碳化硅驱动解决方案可以帮助客户实现最优的开关性能。同时,英飞凌希望在碳化硅应用过程中,帮助客户节省研发时间,将他们的精力更多放在整个系统和拓扑的优化上,让专业的人做专业的事情。

未来布局

自1992年起,英飞凌便开始着手于碳化硅的研究。2001年,成为全球首家推出碳化硅二极管的厂商。2015年,实现了碳化硅从4英寸转6英寸晶圆的生产。2017年,发布1200V碳化硅MOSFET。2018年,通过收购Siltectra公司,获得了碳化硅晶圆的冷切割技术。2019年,发布了1200V的车规级碳化硅MOSFET。2020年,面向全球汽车行业公开发售HybridPACKTM Drive模块。此外在光伏领域,为中国客户定制化了EasyPACKTM3B碳化硅混合模块以及发布了1200V IPM碳化硅模块。

展望未来,下一代的英飞凌碳化硅技术也在深度研发之中,凭借其多年对碳化硅材料特性以及电力电子开关技术的深度理解,下一代产品将进一步提高电气性能,提升功率密度。借助下一代产品,英飞凌将进一步加强在碳化硅领域技术的领先性。



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