碳化硅为电动汽车的广泛应用铺平了道路

我们正处于自1908年亨利·福特推出第一辆量产T型车以来最大的交通革命之中。汽车电气化的推动因素是法规和各国逐步淘汰内燃机,并期待一个更清洁、更可持续的未来。

整个汽车行业正在发生变革,世界领先的汽车制造商纷纷宣布承诺。通用汽车表示,到2035年将实现全电动。到本世纪30年代初,日产将为所有车型提供电力。沃尔沃计划到2030年只销售电动汽车,而宝马和大众预计,届时50%和70%的欧洲销量将是电动汽车。

这一重大变化的核心是功率半导体,随着行业开始从硅转向硅,功率半导体本身也在经历一场翻天覆地的变化碳化硅(SiC).用于驱动电动汽车车轮的电动机通常由六个硅绝缘栅双极晶体管(igbt)和二极管提供动力,二极管使用一种称为脉宽调制(PWM)的驱动技术。这就是碳化硅的优势所在,因为它具有更快的切换速度和恢复特性。用SiC替换igbt可以节省能源,延长电池寿命,减少热管理系统的尺寸和重量,从而进一步增加电动汽车的续航里程。

今年早些时候,在Canaccord Genuity举办的虚拟全球可持续发展大会(virtual Global Sustainability Conference)上,我在一个名为“反思半导体”(Rethinking Semiconductors)的精彩小组讨论中详细阐述了这一点。参加讨论的还有Canaccord分析师Jed Dorsheimer、Cree首席执行官、芯片行业资深人士Gregg Lowe、Rogers Corporation首席技术官Bob Daigle,以及我的同事Rob Davenport, Applied Materials战略营销总监。188金宝搏备用网址

一个反复出现和引起共鸣的主题是功率半导体的日益突出,以及未来几十年将会感受到的重大技术和经济进步。根据Yole Développement的营收预测,电力设备市场目前的营收约为180亿美元,预计到2025年将增长至230亿美元,复合年增长率为4%。相比之下,SiC和氮化镓(GaN)化合物半导体预计同期将从约9.77亿美元增长到40亿美元,增长速度快了10倍。

Cree公司的格雷格•洛表示,与电动汽车一样,SiC芯片也正处于五年“s曲线”使用率的初期,这标志着一场戏剧性的技术转型。为了满足预期的需求,克里正在建造世界上最大的碳化硅工厂预计明年投入生产。

Bob Daigle的公司Rogers Corporation已经封装硅芯片几十年了,预计基于硅芯片的电源集成电路可以将电动汽车电池逆变器的尺寸缩小约50%,并将系统功率效率提高到近99%。碳化硅的持续使用也具有重要意义,因为它从根本上改变了汽车制造商对半导体的看法。汽车制造商们曾经痴迷于零部件级的指标,比如每平方毫米成本,现在他们从系统级的角度考虑SiC技术,比如节省空间、冷却性能、电池成本和车辆行驶里程。在特斯拉Model 3电动汽车上使用意法半导体碳化硅mosfet,后来又被改装到Model S和Model X平台上,这也引起了汽车行业的注意。

由于在多个领域的突破,碳化硅的经济性正在提高。例如,Cree在纽约马西的新工厂预计将在200毫米晶圆上生产SiC功率半导体,与旧的150毫米晶圆生产线相比,这将大大降低成本。正如我的同事罗伯·达文波特所观察到的,传统的摩尔定律晶体管的缩放速度可能会变慢,但在材料工程方面的创新,以及在2D/3D架构和新的封装技术方面的突破,将使先进的复合IC节点和更大的晶圆尺寸成为可能,这将使SiC以更高的产量进入大批量制造(HVM)。

应用材料公司与一188金宝搏备用网址家领先的汽车电源半导体供应商进行了一项研究,比较了igbt和SiC器件在牵引逆变器中的应用。牵引逆变器将电动汽车电池的直流电流转换为用于驱动电机的交流电流。我们发现,SiC可以提高大约4%的系统效率,随着电池和设备电压的增加,可以提高到6%以上。目前,基于sic的牵引逆变器仅用于豪华、高里程电动车车型;然而,随着系统效率的不断提高和碳化硅成本的进一步降低,这种情况将在未来几年发生改变。到2030年,我们预计SiC与igbt相比在商业上是可行的,可用于广泛的电动汽车,包括内城,低程双座。

一旦SiC和其他化合物半导体达到HVM,许多其他市场就会被打开,包括工业电机驱动、电力转换系统、一般工业应用——甚至是消费白色家电。回顾过去,我们将看到电动汽车只是碳化硅的冰山一角。

达文波特说:“我认为化合物可以对电力电子世界产生重大影响,并将使我们今天甚至没有想到的事情成为可能。”“这种情况会发生,因为有人愿意采用风险稍高的产品,然后找到降低成本的方法。半导体总是能找到这样做的方法。过去是通过规模来实现的,而现在更多的是通过系统级的方法。”

随着汽车行业向电气化转型,SiC技术将成为提高电动汽车效率、增加续航里程、进一步降低成本和持续改善性能的技术路线图。188金宝搏备用网址应用材料正在与生态系统中的其他公司合作,将碳化硅带入主流、大批量生产,加速市场采用,帮助我们的世界成为一个更可持续的世界。

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