從特斯拉看碳化矽未來的發展

 據集邦數據, 新能源汽車 (含充電樁) 是 IGBT 最主要的應用領域, 其占比達 31%. IGBT 在汽車中主要用於三個領域, 分別是電機驅動的主逆變器 (DC-AC), 充電相關的車載充電器 (OBC, DC=AC) 與直流電壓轉換器 (DC-DC), 完成輔助應用的模組.

Model S 的動力總成有兩種, 分別為 Large Drive Unit (LDU) 和 Small Drive Unit (SDU), 前者裝配在 "單電機後驅版本" 中的後驅,  "雙電機高性能四驅版本" 中的後驅, 後者裝配在 "雙電機四驅版本" 中的前後驅,  "雙電機高性能四驅版本"中的前驅.

Model S (單電機版本) 全車共有 96 個 IGBT, 其中有 84 個 IGBT 位於逆變器中, 為其三相感應電機供電, 84 個 IGBT 的型號為英飛淩的 IKW75N60T. 若以每個 IGBT 5 美元計算, Model S 逆變器所使用的 IGBT 價格約為 420 美元.

SDU 的形態更小,  內部結構也更為緊湊, 內部逆變器含 36 個 IGBT. SDU 中的 IGBT 為單管 IGBT, 型號為英飛淩的 AUIRGPS4067D1, 總用量為 36片. IGBT 單管的布局也有較大變化, IGBT 單管背靠背固定在散熱器中, 組成類似三明治的結構, 充分利用內部空間.

Model 3 開創應用先河, 與 IGBT 各有千秋. 與 IGBT 類似, SiC 同樣具有高電壓額定值, 高電流額定值以及低導通和開關損耗等特點, 因此非常適合大功率應用. SiC 的工作頻率可達 100kHz 以上, 耐壓可達 20kV, 這些性能都優於傳統的矽器件.

Model 3 利用 SiC 模組替換 IGBT 模組, 這一里程碑式的創新大大加速了 SiC 等寬禁帶半導體在汽車領域的推廣與應用. 根據 SystemPlus consulting 拆解報告, Model 3 的主逆變器上共有 24 個 SiC 模組, 每個模組包含 2 顆 SiC 裸晶 (Die), 共 48 顆 SiC MOSFET.

在相同功率等級下, 這款 SiC 模組採用雷射焊接將 SiC MOSFET, 輸入母排和輸出三相銅進行連接, 封裝尺寸也明顯小於矽模組, 並且開關損耗降低 75%. 採用 SiC 模組替代 IGBT 模組, 其系統效率可以提高5%左右, 晶片數量及總面積也均有所減少.

24 個模組排列緊密, 每相 8 個, 單個開關並聯 4 個. 模組下方緊貼水冷散熱器, 並利用其進行散熱. 可以看到, 模組所在位置的背面有多根棒狀排列的散熱器 (擾流柱散熱器), 利用冷卻水進行水冷. 水通道由稍大的蓋板覆蓋和密封.

Model 3 成功量產並使用後, 其他廠商開始逐漸認識到 SiC 在性能上的優越性, 並積極跟進相關方案的落地. 2019 科銳 (Cree) 與德爾福 (Delphi) 科技宣布開展有關車用 SiC 器件的合作, 電動車企比亞迪, 蔚來 小鵬, 理想, 捷豹, 路虎也在逐漸布局 SiC.

SiC 的高成本制約普及節奏, 未來 SiC 與 Si-IGBT 可能同步發展, 相互補充. 目前 SiC 成品率低, 成本高, 是 IGBT 的 4~8 倍! 我們認為 SiC 在逐步滲透的過程中將與 Si-IGBT 一同成長, 未來兩者均有廣闊的應用場景與增長空間.

Yole 預測功率 SiC 器件市場正以 34% 的 CAGR (2021-2027 年) 增長. 大批量生產新技術需要時間, 幕後制造設備供應商必須與客戶密切合作, 以調整現有設備或設計全新的解決方案, 實現高吞吐量, 高良率的 SiC 制造. 預估增長將從 2024 年開始真正起飛.