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深度报告:硅基 IGBT,功率半导体统治者

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发布:liuxianglong 来源: 中信建设证券
PostTime:24-11-2019 15:22
以电驱之长补电池之短,功率半导体位居关键环节

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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一、以电驱之长补电池之短,功率半导体位居关键环节

1、使用便捷性是汽车竞争力的根本

使用便捷性是绝大多数情况下用户对汽车的接受底线和核心需求,可简明体现为汽车在某工况/工况组合下 运行的行驶时间和充能时间,及对应的行驶路程。

行驶路程越长(对应续航能力)/行驶速度越快(对应动力性能),单次充能时间越短/充能时间占总时间的 比例越小(对应充能能力),可认为整车的使用便捷性越高;在充能不便的条件下,单次充能的行驶路程越长, 整车的使用便捷性越高。

2、能流高效,功率半导体是电控核心

汽车的续航能力、动力性能和充能时间的决定性因素是其储能(及配套动力)系统的本质理化属性。这已为长逾百年的汽车进化史所证实。

燃油汽车储能及配套动力系统主要为油箱、发动机。新能源汽车储能及动力系统(并含带有高压电的部件, 耐压程度有 650V、900V、1200V 等不同等级)包括动力电池,驱动电机,高压配电箱(PDU),电动压缩机, DC/DC,OBC,PTC,高压线束等,这些部件组成了整车的高压系统,其中动力电池,驱动电机,控制系统为纯电动汽车上的三大核心部件。

动力电池相比于油箱,在锂电替代铅酸、三元替代铁锂、三元高镍化多重技术趋势逐级推动之下,其有效 储能仍居于劣势;而长续航车型的工况续航大体可以和燃油车型相比,其主要原因是电机电控相比于燃油发动机的效率优势。

当前,汽油发动机的最高热效率已经突破 40%。如丰田 Dynamic Force Engine 2.0L 发动机,通过阿特金森循环、高压缩比和双喷射等技术手段达到了最佳工况下的高燃效。

电动机和发动机相比,具有效率高(高效区间效率在 95%以上,且相对高效区间覆盖范围远大于燃油发动机,意味着电能-机械能转化更有效)、高效区间大(意味着绝大多数工况下电能-机械能)转化效率高等优点, 并可实现制动能量回收以进一步降低实际油耗。

另外,电动机起步扭矩高,最大功率高,NVH出色。依托三电系统的新能源汽车驾驶体验相比依托传统动力系统的燃油汽车具有相当优势。

整车层面,纯电动车型动力电池包相比于燃油车型发动机重 300-500kg,而电机电控比燃油车型所需的内燃机、变速器、尾气处理、水箱、风扇等轻约 200kg。故燃油、纯电动汽车动力系统的重量、体积等参数基本可比,电机电控的高效性能也是关键因素。

动力电池包内部由多个电池单体(锂离子电池典型电压 3.7V)串并联对外输出直流电,电机所需则为交流 电,需要开关、逆变、变频、变压等功能,且应满足宽适用温域、宽海拔范围、长寿命、高功率密度、小体积、 高能效低损耗等应用条件,并尽可能控制成本。上述功能的实现主要依靠电控的核心组元功率半导体。充电器、 空调等也需要以功率半导体电力电子装置。

图表9:典型 EV/HEV 电路结构图

二、电车需求结合材料本质,硅 IGBT/碳化硅 MOSFET 脱颖而出

1、半导体,基材提供能隙掺杂控制电导

半导体材料的电阻率覆盖范围很宽,在 10-4到 109Ω·cm 之间,且电阻率随温度的升高而降低。半导体的 物理特性由本征能带和杂质能级模型解释:半导体基体材料(基材)是固体,在足够低的温度下,其导带(对 应自由电子的能量范围)全空,价带(对应价电子的能量范围)全满,导带底 Ec 和价带顶 EV 二者之间的界限 为禁带且对应禁带宽度(能隙)Eg。禁带的产生是因为半导体原子的所有价带电子在足够低的温度下要求有完 整的共价键。温度稍高时,半导体内部产生本征载流子,禁带宽度也会稍有变化。

对于半导体器件而言,其关键性质是在一定温度区间内,电导率可以通过掺杂手段加以控制。对于电中性 的 IV 主族、III-V 主族半导体等而言,进行 V 主族元素掺杂,会增加电子作为多数载流子,形成施主能级,并 获得 N 型半导体;进行 III 主族元素掺杂,会增加空穴作为多数载流子,形成受主能级,并获得 P 型半导体。

2、硅是主流基材,三代半导体碳化硅性能出色

半导体功能的实现受到基体材料理化性质的限制。

首先,基体材料需要有一个较宽的能隙,以确保在没有掺杂的情况下,本征载流子浓度低于最轻掺杂区掺 杂浓度的温度上限较高,且临界击穿场强较高;能隙也不应过宽,致使自建电势和门槛电压过高。

其次,基体材料在禁带中的能级应尽可能少,使得阻断电压高、漏电流低。

再次基体材料需要有足够高的自由载流子迁移率(电子迁移率高于空穴,故以电子迁移率为准),使得相 应功率半导体器件的最大允许电流密度较高。

而且,基体材料需要有足够高的载流子饱和漂移速度(同样以电子迁移率为准),使得相应功率半导体器件 的最大允许频率较高。

最后,稳定的化学性质、较高的热导率等对高性能器件的实际应用也具有重要作用

典型半导体材料包括以锗为代表的第一代半导体材料,以硅为代表的第二代半导体材料,和以碳化硅、氮 化镓为代表的第三代半导体材料(均为单晶材料)

其中,锗因为能隙太小,允许的工作温度上限仅为 70℃,不是主流的功率器件材料;硅综合性能均衡、单 晶生产成本低、易制备二氧化硅绝缘层,是最广泛应用的半导体、功率器件材料;碳化硅(晶体结构多样,其 中 4H 晶型综合性能最优越)禁带宽,击穿场强大,虽然电子迁移率稍低但可进行更重的掺杂,也可制备二氧 化硅绝缘层,且热导率高便于散热,故耐高压大电流、有更低的导通和开关损耗,性能优越,成本高;氮化镓 高频特性好,但以碳化硅为衬底外延是主要生产方法,成本更高,且热导是短板。综合各种因素,硅和碳化硅 最适于作为新能源汽车功率半导体的基础材料。

3、硅基 IGBT、碳化硅基 MOSFET 承担新能源汽车功率半导体重任

常用的功率半导体器件包括功率二极管(Power Diode,含 pin 二极管/肖特基二极管) 、双极型晶体管(BJT)、 晶闸管(SCR)、 门极可关断晶闸管(GTO)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体 管(IGBT)等。不同类型功率半导体器件的对电信号可控程度、驱动信号、有效信号波形、载流子参与导电情况可能不同。

对使用同样基材的半导体器件而言,其能达到的开关功率和开关频率的乘积近似为常数。对硅而言,该常 数约为 109 VA/s:

Psw-hardfsw=Vmax-hardImax-hardfaw ≈ 109 VA/s

上述经验公式指导下,不同器件的工作电流、工作电压和开关频率范围有所不同。

MOSFET 的开关速度快、开关损耗低、工作频率高、所需驱动功率小、驱动电路简单,不存在二次击穿问 题。但硅基 MOSFET 在高压应用时,导通电阻随耐压的 2.5 次方急剧上升,故额定电流和额定电压较小,只适用于不超过 10kW 的电力电子装置(对应于汽车应用领域的 12V 或 48V 系统) ,而对大功率的纯电驱动不适 用。

所以,对于仍然采用硅基材的纯电动车型电控用功率半导体,有必要以较低的开关速度、较高的驱动功率 与开关损耗、较复杂的驱动电路和二次击穿危险为代价,将栅极(即图中门极)通过一层氧化膜(p+层)与发 射极实现电隔离,应用相当于 MOS 和 BJT 组合的,耐压能力、电流密度及最大功率更高,高压条件下导通电 阻更低的 IGBT 器件。

IGBT 的导通和关断由栅-射极(即上图中源极)电压 UGE 控制。其工作原理是栅极电压 UGE 为正向电压且 大于开启电压时,IGBT 中的 MOSFET 部分形成沟道,提供基极电流,器件导通,IC和 UGE大部分保持线性;而在栅极加零或负电压时,沟道消失,基极电流为 0,IGBT 关断。IGBT 导通电阻的降低是因为 PNPN 四层结 构带来的 PN 结电导调制效应。静态电气特性方面最高栅-射极电压受最大集电极电流限制,饱和区类似 MOS 结构特性有源区类似于晶体管特性,所以 IGBT 主要工作在饱和区(开)和正向阻断区(关);而动态电气特性 方面,器件导通需要经历栅极正向电压-基极电流产生-集电极电流产生的过程,故有两次延迟;器件关断时因为 没有反向基极电流抽取过量载流子,故只能通过集电极传导,形成拖尾电流。综上,IGBT 可以满足逆变的基本 需求,但开关速度、开关损耗等存在一定劣势。当前硅基 IGBT 系统的综合效率(以逆变器效率计)约 92%, 相比于其峰值效率仍有一定差距。

对于试图利用 MOSFET 器件诸多优势的纯电动车型电控用功率半导体,则需改变基础材料,以相对昂贵 的碳化硅为基材,控制承压层深度和掺杂浓度等技术参数,最终获得更高的工作电压及最大功率以及综合效率。当前碳化硅基 MOSFET 系统的综合效率(以逆变器效率计)约 98%。可以说在应用层面碳化硅基 MOSFET 相 比于硅基 IGBT 具有本征优势。

综上所述,硅基 IGBT 和碳化硅基 MOSFET 是多因素限制下新能源汽车功率半导体的适宜选择;后者性能 更强,但成本也更高;整车动力电池包越大、电机最大功率/峰值扭矩越高,碳化硅基 MOSFET 的作用就越显 著。

三、硅基 IGBT,新能源汽车功率半导体规模统治者

1、技术几经迭代,生产工艺复杂稳定

IGBT(硅基,下同)发明于上世纪 80 年代的美国,后引入日本、欧洲市场。自发明以来,其技术经过了 数次迭代,芯片面积降低,饱和压降降低,最大工作频率提升,损耗降低。

IGBT 芯片的生产属于典型的半导体工艺,需要晶体生长、掺杂、氧化和掩蔽、边缘终端处理、钝化等基本 过程。

高纯单晶硅衬底采取区熔法生长后切得。

后续掺杂多使用离子注入方式;工艺次序为先正面再背面。除全程高洁净度要求外,衬底背面工艺中的减 薄极易使硅片破碎、翘曲,加工工艺非常重要。

IGBT 芯片经多芯片并联、衬板加装、基板加装、外壳加装、硅胶固化密封等封装工艺后,形成 IGBT 模块。鉴于车用 IGBT 的散热效率要求比工业级要高得多,同时要考虑强振动条件,因此封装要求远高于工业级别。定制化模块封装、双面冷却集成等手段是进一步提升 IGBT 模块综合性能的可行方向。

2、国际巨头规模领先,自主企业日夜兼程

IGBT 市场是半导体市场、功率半导体市场的重要组成部分。2018 年,全球半导体市场规模达 4688 亿美元, 其中功率半导体市场 717 亿美元,2018 年 IGBT 市场约 58 亿美元,其中汽车用 IGBT 占比约为 1/4。

根据市场研究机构 Strategy Analytics 的数据,纯电动汽车的半导体成本约达 704 美元,相对于传统汽车的 350 美元增加了 1 倍,功率器件成本为 387 美元,占比达到 55%。相比传统汽车新增的半导体成本中,功率器 件成本约为 269 美元,占总增加成本的 76%。特斯拉 model X 双电机版使用了 132 个 IGBT 器件,总价值约 650 美元。我们估计,根据整车电机数量、电机动力性的不同,新能源汽车硅基 IGBT 单车价值量在近 1000 元到约 5000 元不等,占电控成本约一半。

全球 IGBT 市场的主要供应商包括德国英飞凌,日本三菱、富士,美国安森美,瑞士 ABB 等,CR5 约 70%。主要 IGBT 供应商多采取 IDM(国际整合元件制造商)模式,经营范围涵盖了 IC 设计、IC 制造、封装测试等 各个环节;也多和上游晶圆厂之间建立了紧密的联系,上游 12 寸电子级晶圆供应形势好。

我国 IGBT 对外依赖严重。根据智研咨询统计,2018 年我国 IGBT 芯片需求量为 7989 万个,而产量仅为 1115 万个。

国内 IGBT 企业主要有华虹宏力、中芯国际、中科君芯、士兰微、华润微电子、上海先进、株洲中车时代 电气、比亚迪等。总体而言国内企业仍处在构建产业链、提高良率、追赶国际先进技术水平的过程中,但也已 有重大技术及市场应用成果。

比亚迪是中国唯一一家拥有 IGBT 完整产业链的车企:包含 IGBT 芯片设计和制造、模组设计和制造、大功 率器件测试应用平台、电源及电控等。其车规级 IGBT 4.0 产品已并批量化用于其“王朝”车型。2019 年底产能 预计将达 5 万片/月,可以满足其全部新能源车型每年的需求且有富余产能。

和国际 IGBT 供应商建立合资公司也是保证产品供应的重要手段。如上汽集团和英飞凌成立上汽英飞凌汽 车功率半导体(上海)有限公司,上汽集团持股 51%。现已实现 10 万套 IGBT 模块下线。

我们估计,自主硅基 IGBT 在我国新能源汽车市场中的份额有望逐步提升;类似于合资生产动力电池,合 资生产硅基 IGBT 也将是未来产业整合的重要趋势之一。

四、碳化硅基 MOSFET,新能源汽车功率半导体性能翘楚

1、基体材料困难度大,器件生产工艺复杂

碳化硅半导体产业链包含制取晶锭、切割镜片、外延生长、获取芯片、制造分立器件/模块等过程。

单晶硅仅有一种晶体结构,而碳化硅已知的同素异形体数量逾 200 种。相对典型的碳化硅晶型是 3C、4H、 6H 等。

和单晶硅不同,碳化硅无法形成稳定的本征熔体(而会直接升华),故不可采用和单晶硅类似的本征材料提 拉/区熔等方式制备;高温熔体混合物可能制备碳化硅单晶,但杂质不易控制。

目前生长碳化硅单晶最成熟的方法是物理气相输运(PVT)法,其生长机理是:在超过 2000 ℃高温下将 碳粉和硅粉升华分解成为 Si 原子、Si2C 分子和 SiC2等气相组分;在温度梯度的驱动下,这些气相物质被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成较厚的晶锭(上述过程俗称拉单晶,但并非以提拉法制取材料)。

相比于提拉/区熔,PVT 法的物相控制难度更高,固/气组分更多,温度分布均匀性更差,所以高质量碳化硅 晶锭的获得面临多种生长缺陷的威胁:多型,碳化硅多种晶型的吉布斯生成自由能相近,故易造成多型共生;微管,温度梯度、杂质粒子、籽晶和背底缺陷等易引发贯穿晶锭/部分晶锭的管道;工艺控制不当容易形成位错;原料中的杂质粒子可能嵌入晶锭;真空室中残留的氮气为晶锭的电阻率控制带来不确定性,可能需按要求加以 掺杂调控补偿;如晶锭形状偏离圆柱状较多,则后续工艺的损耗也较多。总之,在基体单晶材料制备方面,碳 化硅面临的问题远多于硅。加之晶锭直径较硅更小,8 英寸技术尚未成熟,碳化硅的成本高于硅。

碳化硅晶锭到晶片制造需要经过滚圆、切片、研磨、抛光等多个工艺步骤。高质量的晶片也是后续芯片高 良率的基础。

碳化硅基 MOSFET 芯片的制造需要在导电 4H-碳化硅衬底上外延生长 n 型漂移层,以高剂量离子注入形成 高掺杂 n+源区、P 阱、MOS 沟道、欧姆接触区和保护层等。

碳化硅基 MOSFET 芯片经封装工艺形成相应功率器件/模块。以特斯拉 Model 3 搭载的意法半导体碳化硅基 MOSFET 器件为例:芯片焙银连接至氮化硅基板;芯片门极采用标准铝线键合技术进行电气互联;采用铅焊料回流焊工艺连接引线框架;塑封电镀等完成最终封装。

2、产业成长期规模待爆发,Model 3 树立应用标杆

如前所述,碳化硅功率半导体产业尚处于成长期,单晶衬底(当前国际成熟技术水平是 4 英寸、6 英寸商 用,8 英寸初步商用;国内是 4 英寸商用,6 英寸初步商用)是主要限制因素。据中国宽禁带功率半导体及应用 产业联盟统计,2017 年,全球导通型 4 英寸碳化硅衬底销量约 10 万片,6 英寸约 1.5 万片;2020 年 4 英寸市场 空间预计仍为 10 万片,但 6 英寸会增长至 8 万片;此后 6 英寸总量、份额都将逐步提升(未考虑 8 英寸技术进 展)

根据 Yole 报告估计,2018 年全球 EV/HEV 用碳化硅基功率器件市场规模约 1.7 亿美元。从特斯拉 Model 3 车型 2018 年销量反推,碳化硅基 MOSFET 单车价值量约 1300 美元。考虑到能效提升对同等工况续航条件下动 力电池用量的节约作用,我们估计使用碳化硅基 MOSFET 比硅基 IGBT 实际的总成本提升在 100-150 美元。对于定位在 10 万元级别以及以下的车型而言,使用碳化硅基 MOSFET 仍有一定成本压力,对于定位在 30 万元乃 至更高的车型而言,鉴于消费者对工况续航、整车动力性的要求较高,所以动力电池搭载量较大,电机最大功 率/峰值扭矩较高,碳化硅基 MOSFET 对整车极限性能的提升有相当程度的帮助。

国际碳化硅功率半导体相关厂商主要包括单晶衬底企业 Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、罗姆、新日 铁住金、Norstel 等;外延片企业 DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱、英飞凌等;器件/模块企业 Cree、英飞凌、罗姆、意法半导体、安森美、电装、富士、三菱等。总体而言,Cree 是全球碳化硅相关技术的 龙头企业。

国内碳化硅功率半导体相关厂商主要包括单晶衬底企业山东天岳、天科合达、同光晶体、中电科等;外延 片企业天域半导体、瀚天天成等;器件/模块企业中车时代电气、世纪金光、泰科天润、扬杰电子;设备企业北 方华创、沈科仪等。

碳化硅在新能源汽车方面的应用引发业界关注并有实质性动作。如 Cree 积极扩大其 SiC 衬底产能并将业务 重心从 LED 向功率器件转移,成为大众 FAST(未来汽车供应链)项目合作伙伴,和安森美签署多年期协议为 其供应 6 英寸衬底及外延片,扩大和意法半导体的长期订单;意法半导体收购 Norstel 部分股权;丰田和电装、 富士、三菱合作开发碳化硅 MOSFET;博世拟用其位于罗伊特林根的半导体制造厂生产碳化硅晶片;华为战略 投资山东天岳获 10%股权,北方华创向天岳批量供应 6 英寸单晶炉,产品缺陷控制情况较好;比亚迪也在进行 碳化硅基功率半导体相关技术研发。

我们认为,碳化硅基 MOSFET 在新能源汽车上的应用格局还远未确定。自主和国际先进水平虽有差距, 但突围提供部分国产渗透率仍有相当可能。

截至目前,特斯拉 Model 3 是碳化硅基 MOSFET 在新能源汽车上面应用的成功案例。Model 3 的电控共搭 载了 24 个 650V、100A 碳化硅基 MOSFET 功率模块,每个模块为 2 芯片并联。

特斯拉在设计电控过程中,充分考虑了回路电感对开关速度、开关损耗、电气可靠性和功率密度的影响。以碳化硅基 MOSFET 为核心的高效电控是整车低电耗的有力保障之一。

五、新能源汽车规模增长品质提升,功率半导体如箭在弦[文章纠错]

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