在新能源汽車中，車載充電機（On-board charger，OBC）是完成將交流電轉(zhuǎn)換為電池所需的直流電，并決定充電功率和效率的關(guān)鍵部件，OBC技術(shù)的進步與用戶充電體驗有著非常大的關(guān)系。隨著電動汽車的市場擴大和儲能市場的興起，對OBC在性能上提出了更高的要求。據(jù)悉，國內(nèi)的龍頭企業(yè)早在5年前就開始用SiC做OBC，如今OBC的技術(shù)越來越成熟，體積越做越小，成本越做越低，正值放量增長期。
然而，目前國產(chǎn)芯片廠商能做出SiC MOS的不多，國產(chǎn)汽車廠在SiC方面還是使用CREE、羅姆、ST產(chǎn)品為主。國內(nèi)獨一家的以創(chuàng)業(yè)公司身份通過國內(nèi)車企OBC碳化硅測試的企業(yè)——派恩杰，一家年輕的第三代半導(dǎo)體功率器件的fabless公司，其SiC MOS產(chǎn)品在新能源汽車OBC應(yīng)用驗證取得了重大突破，獲得了新能源汽車龍頭企業(yè)數(shù)千萬訂單，并已開始低調(diào)供貨。
派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼總裁 黃興博士（圖源：派恩杰公司）
OBC放量，SiC供應(yīng)鏈資源稀缺
之前有行業(yè)專家認(rèn)為隨著整個充電樁特別是超快速的充電樁的普及，OBC會從車上拿下來，派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼總裁黃興表示目前這個情況是不會發(fā)生的：“因為OBC雖然功率比較小，快充充電樁一般都是200千瓦、300千瓦，而OBC只有11千瓦，最多22千瓦，這個充電速度肯定不能同日而語。一方面，OBC作為一個應(yīng)急的充電方案，給客戶在使用電動汽車時提供了一個極大的安全保障，只要220伏的交流插進去，就可以保證車處于充電狀態(tài)。”
“另一方面，隨著電動汽車的普及和應(yīng)用，它也有作為儲能電池往外放電的需求，目前國內(nèi)一些車廠已經(jīng)將雙向OBC作為標(biāo)配放在車上。作為雙向的解決方案，用SiC是最劃算的，它跟儲能的方案極其類似，能量因為存在著雙向流動，只能用MOS。”黃興接著說道。
如今OBC的技術(shù)越來越成熟，體積越做越小，成本越做越低。黃興表示現(xiàn)在正是OBC放量的時候。對于汽車廠商則是一番攻城略地，興起的汽車廠勢必會爭搶稀缺的SiC供應(yīng)鏈資源。目前SiC全球的供給僅在車的領(lǐng)域就已經(jīng)不夠了。有消息稱，近日國際某個龍頭企業(yè)SiC MOS交期剛從52周延長到80周。
在SiC持續(xù)緊俏的情況下，多家國際大廠紛紛宣布擴產(chǎn)，國內(nèi)在SiC的投入也在加大，至于產(chǎn)能過剩的擔(dān)心，黃興表示至少2025年前不會出現(xiàn)：“我們看到新能源市場在2025年前都是一個持續(xù)穩(wěn)定增長的情況，而整個SiC目前全國的產(chǎn)能投入量雖然很大，但質(zhì)量還沒有達到可以供應(yīng)車用的水平。目前國內(nèi)大部分友商投入的SiC產(chǎn)能主要還是在供二極管，能量單向流動的應(yīng)用為主。而新能源很多應(yīng)用主要是能量雙向流動，只能用MOS，不能用二極管，而且整個MOS的品控和技術(shù)難度相對來說是比較大的。雖然說國內(nèi)投入了大量的資產(chǎn)，但是這些產(chǎn)能目前還沒有看到他們能夠釋放出來的跡象，就算產(chǎn)能足夠釋放出來，到2025年前應(yīng)該趕不上市場爆發(fā)的速度。”
國產(chǎn)SiC MOS難突破
目前國產(chǎn)的SiC產(chǎn)品主要以SiC二極管為主，SiC MOS的國產(chǎn)化則相對更加艱難。究其原因，黃興解釋道：“目前SiC這個行業(yè)相對來說比較新，到目前為止，很多商用軟件在仿真碳化硅的時候，給出的預(yù)測都非常不準(zhǔn)確，給設(shè)計者帶來了很大的難度。在仿真里設(shè)計出一個很好的器件一旦流片出來，發(fā)現(xiàn)跟設(shè)計的完全不一樣。因為SiC相對來說是一個比較小的細(xì)分行業(yè)，很多仿真軟件不會專門為SiC投入太多的資源，導(dǎo)致這方面模型缺失。這就需要設(shè)計者從最底層物理上的模型，如SiC自身的電子遷移率、雪崩擊穿的模型、熱學(xué)仿真模型、工藝柵氧生長等方面對SiC材料進行校準(zhǔn)，不斷地進行實驗迭代和完善。”
“另一方面，SiC本身材料成本比較高，目前開發(fā)幾十款料號的成本就巨額上升。加之SiC加工難度比較大，很多工廠不具備這樣的加工條件，就會極大地限制整個研發(fā)迭代的速度，這也是目前很多SiC公司很難推出成熟產(chǎn)品一個重要原因。”黃興解補充道。
師從“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶閘管發(fā)明人Alex Q. Huang，黃興有著10余年碳化硅與氮化鎵功率器件經(jīng)驗，2014-2017年在美期間發(fā)布20余款SiC/GaN量產(chǎn)產(chǎn)品，發(fā)布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件，發(fā)明首個可雙向耐壓SiC結(jié)終端結(jié)構(gòu)。2018年，正值半導(dǎo)體行業(yè)低谷，黃興看到了中國半導(dǎo)體市場的機會：“我當(dāng)時看到了SiC的前景，掌握這個技術(shù)能夠生產(chǎn)這個產(chǎn)品的主要還是歐美日三個地區(qū)的公司，而中國又占據(jù)了絕大部分的需求，卻沒有這樣的公司，我覺得回來填補國內(nèi)產(chǎn)業(yè)空白是比較有意義的事情，我就在那個時間點選擇了回來。”
得益于在模型上的多年積累、各種量產(chǎn)經(jīng)驗以及客戶應(yīng)用方面經(jīng)驗的積累，得益于有著30年經(jīng)驗的成熟代工廠X-FAB快速的迭代周期的支持，使得派恩杰在僅3年多的時間就得以飛速發(fā)展。2019年3月，派恩杰發(fā)布了第一款可兼容驅(qū)動650V GaN功率器件；同年8月完成Gen3技術(shù)的1200V SiC MOS，填補了國內(nèi)空白；2020年先后發(fā)布用于5G數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器與工業(yè)輔助電源的650V、1700V工業(yè)級MOS以及用于車載充電機的650V車規(guī)級MOS；2021年2月發(fā)布1200V大電流車規(guī)級MOS，應(yīng)用于電動汽車電驅(qū)單管及模塊；2021年7月，完成1200V 62mm SiC模塊的開發(fā)。
自建SiC模塊封裝產(chǎn)線，加速SiC上車
黃興指出，國內(nèi)很多工廠在車規(guī)模塊上已經(jīng)很有建樹了，SiC上車目前核心的、在國內(nèi)比較缺失的就是SiC功率模塊。從碳化硅自身高頻高速、低功耗的特性看，SiC已不太適合使用以前傳統(tǒng)的功率模塊，現(xiàn)在SiC在市面上量產(chǎn)比較成功的模塊還是像特斯拉的T pack和目前大眾批量應(yīng)用的板橋模塊的形式。國內(nèi)這兩年的碳化硅功率模塊比較欠缺，因此派恩杰想借助自身芯片上的先發(fā)優(yōu)勢，在模塊上繼續(xù)進行技術(shù)的延伸和積累，擬建車用碳化硅模塊封裝產(chǎn)線。
由于派恩杰采用自己的芯片，對芯片在工業(yè)和汽車上的應(yīng)用積累了大量的數(shù)據(jù)，知道自身芯片的優(yōu)勢和特性，因此在整個模塊聯(lián)合的設(shè)計中，會進行聯(lián)合芯片上下聯(lián)動的調(diào)校和優(yōu)化，讓模塊去適應(yīng)芯片。如英飛凌等功率模塊做得好的國際大廠，其成功也與用自己的芯片關(guān)系重大。
“SiC缺陷類型有很多種，從成本的控制和良率的角度，有些缺陷工業(yè)級可以容忍，車規(guī)則不能容忍。可以把不符合車規(guī)的芯片挑出來，去做工業(yè)級的產(chǎn)品。至于一些致命缺陷，可以提前篩選出來。另外，可以想辦法給材料廠提要求，幫助優(yōu)化他們的產(chǎn)品，找到一個折衷的平衡點。”針對如何提供良率，黃興進行了解釋說明。
黃興指出，目前派恩杰的產(chǎn)品良率在業(yè)內(nèi)處于平均偏上的范圍，綜合良率是80%-90%，不同型號會有所不同。一般中小功率的芯片良率會在90%以上，功率偏大的，就會往下面掉，這是目前SiC原材料缺陷所導(dǎo)致的。如果拋開材料缺陷，只談fab缺陷，良率是99%以上。
SiC MOS指標(biāo)對比（圖源：派恩杰公司）
目前派恩杰的技術(shù)是對標(biāo)CREE第三代平面柵SiC MOS，有客戶端評測，其碳化硅的性能是全球前三。
在HDFM（器件的Rds(on)×器件的Qgd）這項評價指標(biāo)中，HDFM是衡量功率半導(dǎo)體優(yōu)劣的一個重要參數(shù)指標(biāo)，該數(shù)值越低說明器件的綜合損耗更小，效率更高。理想情況下，同樣的應(yīng)用場景，若派恩杰的SiC MOSFET功耗為10W，S品牌14W，C品牌11.8W，R品牌13.6W，某國產(chǎn)品牌20W。可見派恩杰在所有的平面柵技術(shù)里面是最好的，在開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗這兩方面指標(biāo)中，可以給客戶提供最優(yōu)的解決方案。
此外，在一些抗極限的指標(biāo)實測中，如峰值功率、峰值電流和一些雪崩測試，派恩杰都可以滿足比較苛刻的工業(yè)要求和車規(guī)的要求。目前上車的SiC MOS以平面柵技術(shù)為主，派恩杰堅持在平面柵技術(shù)上不斷迭代，將Rds(on)×Qgd這個HDFM指標(biāo)越做越小，保持技術(shù)上的先進性。
黃興透露，預(yù)計2022年初產(chǎn)線動工，到2022年底會有樣品出來。
當(dāng)前在全球SiC產(chǎn)業(yè)格局里，中國市場有著難得的機遇。黃興表示：“中國現(xiàn)在最大的一個機遇就是碳達峰、碳中和趨勢，現(xiàn)在已經(jīng)作為國家的一個重大戰(zhàn)略在進行部署。另外就是全球產(chǎn)業(yè)鏈，我國也開始強調(diào)自主安全的供應(yīng)鏈上的要求，我們也得到了以前行業(yè)客戶的重視。隨著全球疫情的漫延，導(dǎo)致國際產(chǎn)業(yè)鏈重新整合，可能國外供不上的產(chǎn)品，現(xiàn)在中國可以供上，整體來說得到了很多以前沒有的一些機會。”
不可否認(rèn)的是，從全球的角度，SiC與IGBT相比，整個產(chǎn)業(yè)鏈還很脆弱。國內(nèi)更是如此，需求端不斷膨脹，而供給端目前還是處在一個技術(shù)迭代和技術(shù)驗證的階段，很多產(chǎn)能還釋放不出來。派恩杰認(rèn)為面臨最大的挑戰(zhàn)在于要幫助材料供應(yīng)商去提升能力，但這并不是其自身所擅長的。“這給我們對整個供應(yīng)鏈的管理，包括培養(yǎng)供應(yīng)鏈帶來了一些疑問。我們也只能在戰(zhàn)爭中學(xué)習(xí)戰(zhàn)爭，在不斷積累自身核心技術(shù)的同時，也要想辦法幫助上下游的供應(yīng)鏈和客戶的一起成長。”黃興指出了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。相信隨著更多有責(zé)任心的企業(yè)加入，共同助力產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展，就有機會抓住國內(nèi)機遇，進一步加速本土SiC MOS上車。
