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硅基新架构能否成为SiC的低成本替代方案?

06/12 11:40
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当许多车厂从硅基功率电子产品转向碳化硅SiC)技术时,是否还有第三条道路?‍

Ideal Power是双向双极结型晶体管半导体技术B-TRAN的发明者,总部位于Texas Austin,该公司认为,其硅基功率半导体可以支持电动车可再生能源和电气化,而无需依赖SiC。

公司CEO Daniel Brdar声称,B-TRAN独特的双面双向交流开关IGBTMOSFET等传统功率半导体“性能大幅提高”。

据该公司称,基于B-TRAN功率开关的近期潜在市场包括输电、配电和电路保护,如可再生能源、储能系统、微电网和电动车充电中的固态断路器继电器接触器

但不可否认的是,电动车是Ideal Power的重头戏。

Ideal Power解释说:”电动车动力传动系统需要电源开关,包括牵引逆变器、DC-DC转换器车载充电器 (OBC) 和电路保护。B-TRAN可以将双向电路中的功率器件数量从4个减少到1个,从而将电动车的效率和续航能力提高7-10%。”

SiC和B-TRAN逆变器之间的比较如何?Brdar说:“根据我们与OEM的合作,我们发现基于B-TRAN的解决方案可以与纯SiC MOSFET逆变器的性能相媲美,同时将半导体成本降低35%以上。”

值得注意的是,当今的电动车和混合动力汽车仍在使用一些IGBT器件和SiC器件。这有助于Ideal Power利用B-TRAN器件打入电动车市场,即使车厂仍在使用SiC逆变器。

与Stellantis的合作‍‍

首先,这不仅仅是初创公司的空想。B-TRAN已获得Stellantis的青睐。‍

然而,当SiC的发展势头与汽车行业出了名的漫长设计周期相结合时,B-TRAN的发展潜力就会变得复杂起来。

Ideal Power与Stellantis的多年开发计划为B-TRAN带来了一些急需的信用备书。Stellantis资助Ideal Power开发定制的B-TRAN动力模块,用于其下一代电动车平台的动力传动系统。

在完成了两个阶段的开发协议后,Ideal Power正在进行第三阶段的工作。Brdar告诉说:“Stellantis已经决定用我们的测试计划用于车载认证。我们正在最终确定第三阶段的范围,最终将在2025年生产出可量产的模块。”

不走寻常路‍‍‍‍对于功率电子市场的许多人来说,B-TRAN仍然是一种未经验证的设备。Ideal Power采用的功率半导体架构是大多数厂商都未曾考虑过的。他们也没有真正接触过B-TRAN。

功率半导体经历了几十年的发展,从开放式纯硅到掺杂电阻硅,从二极管到MOSFET和IGBT。

Brdar说:“IGBT由来已久。MOSFET也有几十年的历史了。”他指出,简而言之,功率半导体行业已经很久没有出现新的架构了。

该行业是否已不思进取?但有一点很明显,它没有像Ideal Power那样认识到对新型硅架构的迫切需要。

Brdar解释说,新硅架构的想法来自于“需要解决制造更好的双向电源开关问题的人们”。

为什么是双向的?

Brdar解释说:“如果你要用电池做任何事情,你就必须控制能量的双向流动。”

电池有一个充电和放电周期。他解释说,从交流到直流以及从直流到交流的转换必须尽可能高效,否则就会浪费大量能量。

上市初创公司‍‍

凭借B-TRAN,Ideal Power成为硅基功率半导体市场上的新秀,严格说来是一家“初创公司”。然而,这家成立于2007年的公司已经成为一家上市公司。Brdar称Ideal Power为“上市初创公司”。

Ideal Power一开始专注于工业和商业能源存储。它与Sharp和Mercedes等解决方案供应商合作,向市场推出了使用传统IGBT的电源转换器解决方案。‍

就在那时,Ideal Power当时的CTO发明了B-TRAN,当时他正试图提高公司的电源转换器的效率。

Brdar解释说:“遗憾的是,商用和储能技术的发展耗时过长,理想动力公司的客户,如Sharp、Mercedes等解决方案供应商,都选择了退出这项业务。”

当时的电池公司还承诺,随着电动车的普及和电池容量的加速增长,成本将大幅降低。

此时,Ideal Power意识到,基于他们自己的B-TRAN的半导体机会“要比电源转换器业务大一个数量级”。因此,Ideal Power出售了其电源转换器业务,开始专注于半导体技术。

阻碍‍‍‍‍‍

问题在于,要改变SiC已是既定事实的工程界传统观念并非易事。许多公司在选择SiC时都认为硅已经达到了其性能极限。

在电动车功率电子领域,Ideal Power的优势在哪里?

Brdar说,在许多方面,“我们扮演着相当关键的角色”。他补充说:“我的意思是,我们的技术确实是为传动系统设计的。”

这一切都与大功率应用有关。Brdar解释说,B-TRAN最有可能取代SiC的应用领域是动力传动系统的逆变器和电池熔断器

Brdar总结说,像Stellantis这样的OEM正在“寻找一种既能提高性能,又不需要SiC那样高成本的解决方案”。

成本问题‍

许多功率电子产品从业者对一年前Tesla引起的一场争议记忆犹新,当时这家电动车巨头宣布了一项“总体规划”,即“在下一代动力总成中减少75%的SiC器件”。

行业观察家认为Tesla的说法令人费解。在Tesla没有详细解释的情况下,人们对该声明有无数种解释。

Tesla可能要求在动力总成中增加集成度,减少SiC模块的器件数量。也可能是指用新材料取代SiC。一些分析师认为,Tesla未来将减少SiC器件,因为小型车不需要那么高的功率。

在各种猜测中,一个明确的共识是SiC太贵了。

随着Tesla对这一问题的验证,Yole Group的分析师预测,IDM将面临降低SiC成本的巨大压力。

从Tesla的评论中还可以推断出,Tesla可能会将SiC保留给更先进、更大功率的车型。

Brdar认为,Tesla暴露了一个基本困境:SiC成本太高,电动车无法广泛采用。

Brdar在演讲中说:“如果你拥有像B-TRAN这样的技术,你就可以降低成本,因为它不是SiC。B-TRAN还能提高车辆的续航能力,因为它能实现更高效的切换。他称B-TRAN非常适合“混合动力和纯电动车”。

双面晶圆‍‍‍‍‍

至于B-TRAN的制造,好消息是它可以使用传统节点的传统晶圆厂

Brdar解释说,该公司在亚洲已经拥有一座合格的晶圆厂,在欧洲的另一座晶圆厂也正在等待认证。这两家公司都将从事代工。

据Brdar称,Stellantis已经选择了一家公司为传动系统应用封装器件。“下一阶段的工作实际上是引入Tier 1,使他们能够真正从我们这里获得器件,并将其应用到动力传动系统中”。

不过,Ideal Power必须与晶圆厂密切合作,晶圆厂“需要了解如何加工……双面晶圆的两面,这样他们才能生产出质量好、产量高的器件”,Brdar解释说。

为什么是双面?‍‍

该公司表示,B-TRAN架构要求双面。Brdar解释说:“因此,我们生产的一个器件可以取代目前使用的四个器件。你在每个方向上使用一对IGBT和二极管来制造传统的双向开关。我们的架构允许我们在一个器件中实现所有这四个器件的功能,但它需要是一个双面器件。”

B-TRAN不需要更精细的工艺节点。Brdar说:“B-TRAN使用的节点尺寸为‘几微米’,这样我们就能很好地对准特征。”

回顾过去,Brdar承认,Ideal Power在B-TRAN上面临的最大挑战之一是,“如何制造出一种高功率设备,使晶圆的正反两面都能紧密对准特征进行加工……同时实现更高的良率”。

今天,他说:“我们已经有了设备,现在正向客户发货,以便他们进行评估。它们达到或超过了预期的性能要求。

授权‍‍‍‍‍‍

最终,Ideal Power打算将B-TRAN技术授权给目前生产IGBT和MOSFET器件的功率电子芯片制造商。毕竟,在为电动车创造巨大市场的同时,车厂也不愿意依赖一家小型初创公司作为其关键部件的唯一供应商。

在被问及有关授权的问题时,Brdar说:“我们希望真正以客户为导向。Ideal Power的首要任务是获得车厂的认证。当我们的产量达到一定规模时,我们认为就可以进行更有成效的许可讨论。”

追求电动车和混合动力内部的功率电子需求是Ideal Power的理想。与SiC晶圆厂相比,B-TRAN的最大优势在于生产所需的投资要小得多。然而,Ideal Power面临的挑战是,它要与包括中国在内的公司竞争,这些公司已经加入了SiC浪潮,并在SiC器件生产方面做出了巨大的承诺。

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