汽车制造商和供应商的功率半导体考虑因素

原创 Omdia 2024-11-19 12:00

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引言

功率半导体行业正在经历一场革命，设备供应商竞相利用尖端技术来应对新的应用，这既带来了巨大的挑战，也带来了令人兴奋的机遇。其中最重要的是电动汽车，有效利用功率半导体可以增加续航里程、减小动力系统的尺寸和重量、缩短充电时间并降低电池成本。

目前，汽车制造商（OEM）和那些希望在其自身快速发展的行业中摸索前进的各级厂商有多种多样的解决方案。功率半导体可按其制造材料大致分类，每种材料都有优点和缺点。

传统的硅材料仍然是一个引人注目的选择硅基 IGBT 是主力产品经过多代改进，它们将良好的性能与出色的可靠性和成本结合在一起。此外，它们还可从全球范围内的众多供应商处获得，因此是一种可靠的选择，也是评判其他解决方案的标准。

碳化硅 MOSFET 是高性能器件的首选。与硅基 IGBT 相比，这些 MOSFET 的效率更高，系统尺寸也更小，但价格却要高得多。自特斯拉首次将 SiC 引入动力总成逆变器以来，其使用范围已扩大到许多中高端汽车。

最后是氮化镓，这种材料在电源适配器中的应用可能让人耳熟能详，但尚未以任何明显的方式渗透到汽车市场。氮化镓也具有出色的效率，其价格更接近硅。不过，氮化镓不容易扩展到高电压，而且普遍被认为不可靠。这种名声在很大程度上是没有道理的，但它在汽车应用中缺乏现场数据，有时会成为采用的障碍。

那么，动力总成工程师应该选择哪种材料呢？硅仍应是标准材料，只有全电动汽车才应考虑使用替代材料。虽然插电式混合动力汽车在电动续航里程和充电方面的改进将使其受益匪浅，但内燃机的后备选择使其更难证明额外的芯片和工程成本是合理的。

就全电动汽车而言，碳化硅在许多情况下都优于硅。全电动汽车市场正朝着两条不同的道路发展：一种是续航里程较小的汽车，旨在满足日常使用的一般需求，另一种是续航里程较大的汽车，可满足包括长途旅行在内的所有驾驶需求。

从目前的情况来看，那些以较小续航里程为目标的车辆应该坚持在牵引逆变器中使用硅 IGBT。续航里程只需足够，成本才是更关键的因素。或者，可以使用碳化硅或氮化镓来减小电池尺寸，从而节省成本，而不是提高续航能力。目前，这种计算方法并没有站在新材料的一边，但我们可以想象，不久之后就会出现这种情况。

当汽车制造商试图最大限度地延长续航里程时，碳化硅显然是最佳解决方案。汽车制造商寄希望于客户愿意为获得所需的续航里程而支付溢价，而这些车辆通常都不是经济型车辆。越来越多的汽车采用 800 V 电池系统，而碳化硅是这一转变的关键推动因素，1200 V 的设备也随时可用。碳化硅也已成熟到有多家汽车合格部件供应商的地步，它们拥有各自不同的供应链。以前的碳化硅芯片供应限制已有所松动。

那么，氮化镓何时才是正确的选择呢？预计氮化镓最早将于 2025 年开始用于车载充电器。这将有助于氮化镓器件在高可靠性标准的汽车生态系统中变得成熟，并有可能为将其应用于逆变器铺平道路。虽然目前已有 900 V 和 1200 V 氮化镓设备，但它们在很大程度上仍处于起步阶段，因此可能需要转向三相拓扑结构，以实现 800 V 电池与广泛使用的 650 V 设备之间的兼容性。由于性能有望得到改善，目前许多制造商都在计划采用这种技术，但碳化硅也有 600 V 的器件，这意味着并不能保证氮化镓一定会被采用。

一旦生态系统足够成熟，氮化镓器件的性能将明显优于硅器件，而价格仅略有上升，因此成本效益分析有利于氮化镓。在这种情况下，我们可能会看到氮化镓逆变器用于经济型汽车，甚至插电式混合动力汽车。

目标市场、电池选择和设计拓扑结构都会影响半导体材料的选择。碳化硅已经在这一日益复杂的产品领域找到了自己的方向，而氮化镓虽然潜力巨大，但前路漫漫。Omdia 可以为希望了解供应情况的动力总成设计人员或希望在供应过程中规划路线的设备供应商提供支持。

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