瑶芯微董事长郭亮良: 碳化硅MOSFET系统成本快速下降, AI服务器带来新需求

发布时间:2024-7-4 18:39    发布者:eechina
关键词: 碳化硅 , SiC , MOSFET , AI服务器
来源: 第一财经资讯

作为第三代半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)被认为是功率半导体行业进步的主要方向。在近几年国内厂商不断沉淀技术与升级产品的背景下,国产碳化硅 MOSFET在2024年开始放量。

碳化硅 MOSFET相比IGBT有哪些性能优越性?系统成本是否实现追平?国内碳化硅产业还面临哪些挑战?近日,第一财经专访瑶芯微董事长郭亮良,就上述话题进行交流。

性能优越,百亿美元市场可期

“与IGBT相比,碳化硅器件在高压、高频、高温环境下有更好的表现,可以带来更高的电能转换效率及更低的能量损耗,最近几年在汽车以及新能源领域渗透率提升非常快。”郭亮良告诉第一财经。

碳化硅器件的性能优越性主要缘于衬底材料差异。相比于硅,碳化硅具有十倍的击穿电场强度、三倍的禁带、两倍的极限工作温度和超过两倍的饱和电子漂移速率。同时,碳化硅还具有三倍的热导率,这意味着三倍于硅的冷却能力。

高饱和漂移速度带来更低的电阻和更小的能量损耗,还能够达到缩小体积的效果。据悉,相同规格的碳化硅MOSFET和硅基MOSFET,前者的导通电阻降低为后者的1/200,尺寸减小为1/10;使用相同规格的碳化硅MOSFET和硅基IGBT的逆变器,前者总能量损失小于后者的1/4。以罗姆公司设计的碳化硅逆变器为例,使用全碳化硅模组后,主逆变器尺寸降低43%,重量降低6kg。

“目前碳化硅在新能源汽车、充电桩、高效率电源等领域都在快速适用,预计2028年后市场规模将与IGBT持平,约700亿元人民币,是功率半导体未来最大的一块增量。”郭亮良表示。

据Yole的Power SiC 2023报告数据,碳化硅功率半导体市场从2021年11亿美元增长到2022年18亿美元,年均增长率为62%。随着汽车电子(Automotive)和工业电子(Industrial)的推动,碳化硅功率半导体市场还将强劲增长,预计未来几年将接近100亿美元。

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碳化硅 MOSFET系统成本追平IGBT

“过去产业上对碳化硅的采用有一些担忧,主要是两方面,一方面是价格太贵,另外一方面是几乎由海外芯片厂商为主导,产能和供货稳定性是个挑战。”郭亮良对第一财经表示。

第一财经了解到,过去两三年,业内预计碳化硅MOSFET批量化价格是硅基IGBT的3-5倍,目前来看已有所下降。

“碳化硅MOSFET是不可能比IGBT更便宜的,因为原材料、工艺都不一样。我们目前看价格预计在IGBT的2-3倍,极限测算在1.5倍左右。”郭亮良坦言,“但更重要的是,碳化硅MOSFET能够实现IGBT所不能实现的功能,使得系统成本更低。”

郭亮良解释称,碳化硅MOSFET拉了高频后,首先原来的电容电感、磁性元件可以全部变小,这块能够降本;其次,拓扑也在变化,原来可能需要两颗SJMOS,现在只需要一颗碳化硅MOSFET,系统成本更便宜。“目前在光伏、高效率电源、充电桩领域,其实碳化硅的方案成本已经比硅基更便宜了。”

“瑶芯微目前主要在解决成本和供货稳定性的问题,一方面采用了国产供应链,另外一方面技术迭代迅速并基本追平了海外的技术能力,所以在降本和供货稳定性上有了很大的保障,目前很多客户开始积极采用我们的芯片也是基于这个原因。”郭亮良介绍称。

据悉,瑶芯微功率产品收入占比超过80%,其中碳化硅MOSFET作为其核心产品,已迭代至第五代,目前最新一代碳化硅MOS核心性能指标RSP值为2.5,可对标全球一线厂商。

“目前公司的碳化硅MOS已在车载、光伏、充电桩、工业电源等多家龙头客户实现了大批量出货,是国内少有的能够打通碳化硅纯本土供应链资源的企业。2020年我们就开始在国内率先布局碳化硅纯本土供应链,从碳化硅衬底、外延到晶圆制造,都采用了国内顶尖的供应链。”郭亮良表示。

分应用领域来看,瑶芯微下游覆盖汽车、新能源、工业以及消费电子,汽车应用占30%左右,新能源和工业加起来约占40%,消费电子约占30%。目前该公司产品已经在新能源汽车龙头企业实现大批量交付,上车超过150万辆,供应全球车型,在车载功率芯片领域代表国内顶尖水平。

AI服务器贡献MOSFET新应用

在应用上,目前碳化硅 MOSFET在新能源汽车领域渗透率快速提高,未来AI服务器也将成为其新应用领域。

“传统的应用大部分用不上宽禁带半导体(可理解为第三代半导体)。宽禁带主要用于两方面,一是高效率领域,二是高功率密度领域。”郭亮良表示。

在高效率方面,郭亮良举例称,如果功率高达30kW、40kW,那么效率上两个百分点的差距在成本上都有非常大的体现。部分大功率充电桩要实现快速充电,功率就要拉上去,效率也就要提升。

新能源车企中,特斯拉率先在Model3中集成全碳化硅模块,是碳化硅上车“第一个吃螃蟹的人”。2018年,特斯拉在Model3上首次采用意法半导体的650V 碳化硅 MOSFET逆变器,相较Model X等采用IGBT的车型实现了5%~8%的效率提升,并在此后的几款车型中均采用碳化硅技术。随后海外车企丰田、本田、福特、大众等,国内比亚迪、蔚来等陆续宣布将采用碳化硅方案。

与硅基IGBT相比,碳化硅 MOSFET具有高耐压、低导通损耗、低开关损耗等优点,应用于800V高压平台新能源车可大幅提升电驱效率并降低整车能耗。目前国内外主流车企均已布局800V高压平台架构。随着800V高压平台的普及,以及碳化硅产品性价比与可靠性提升,华金证券预计碳化硅在新能源车上的应用有望于2025年进入快速增长。

在高密度方面,AI技术的快速发展对电源功率密度提出了更高的要求,郭亮良表示,相比800W的常规服务器,AI服务器的功率要达到4500W、5000W,也需要高效率的碳化硅MOSFET。同时AI服务器的大小仍被机柜空间限制,因此功率提升需要高功率密度半导体芯片通过拉高频来实现,而高频靠硅基无法实现,只有通过碳化硅才能实现。

此外,业内也有观点认为,电网领域碳化硅 MOSFET需求将超过新能源汽车,未来电网需求也会来带新一波应用浪潮。

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