硅基新架構(gòu)能否成為SiC的低成本替代方案？

當(dāng)許多車廠從硅基功率電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC）技術(shù)時(shí)，是否還有第三條道路？?

Ideal Power是雙向雙極結(jié)型晶體管半導(dǎo)體技術(shù)B-TRAN的發(fā)明者，總部位于Texas Austin，該公司認(rèn)為，其硅基功率半導(dǎo)體可以支持電動(dòng)車、可再生能源和電氣化，而無需依賴SiC。

公司CEO Daniel Brdar聲稱，B-TRAN獨(dú)特的雙面雙向交流開關(guān)比IGBT和MOSFET等傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體“性能大幅提高”。

據(jù)該公司稱，基于B-TRAN功率開關(guān)的近期潛在市場(chǎng)包括輸電、配電和電路保護(hù)，如可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、微電網(wǎng)和電動(dòng)車充電中的固態(tài)斷路器、繼電器和接觸器。

但不可否認(rèn)的是，電動(dòng)車是Ideal Power的重頭戲。

Ideal Power解釋說：”電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)需要電源開關(guān)，包括牽引逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器 (OBC) 和電路保護(hù)。B-TRAN可以將雙向電路中的功率器件數(shù)量從4個(gè)減少到1個(gè)，從而將電動(dòng)車的效率和續(xù)航能力提高7-10%?！?/p>

SiC和B-TRAN逆變器之間的比較如何？Brdar說：“根據(jù)我們與OEM的合作，我們發(fā)現(xiàn)基于B-TRAN的解決方案可以與純SiC MOSFET逆變器的性能相媲美，同時(shí)將半導(dǎo)體成本降低35%以上?！?/p>

值得注意的是，當(dāng)今的電動(dòng)車和混合動(dòng)力汽車仍在使用一些IGBT器件和SiC器件。這有助于Ideal Power利用B-TRAN器件打入電動(dòng)車市場(chǎng)，即使車廠仍在使用SiC逆變器。

與Stellantis的合作??

首先，這不僅僅是初創(chuàng)公司的空想。B-TRAN已獲得Stellantis的青睞。?

然而，當(dāng)SiC的發(fā)展勢(shì)頭與汽車行業(yè)出了名的漫長(zhǎng)設(shè)計(jì)周期相結(jié)合時(shí)，B-TRAN的發(fā)展?jié)摿蜁?huì)變得復(fù)雜起來。

Ideal Power與Stellantis的多年開發(fā)計(jì)劃為B-TRAN帶來了一些急需的信用備書。Stellantis資助Ideal Power開發(fā)定制的B-TRAN動(dòng)力模塊，用于其下一代電動(dòng)車平臺(tái)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。

在完成了兩個(gè)階段的開發(fā)協(xié)議后，Ideal Power正在進(jìn)行第三階段的工作。Brdar告訴說：“Stellantis已經(jīng)決定用我們的測(cè)試計(jì)劃用于車載認(rèn)證。我們正在最終確定第三階段的范圍，最終將在2025年生產(chǎn)出可量產(chǎn)的模塊?！?/p>

不走尋常路????對(duì)于功率電子市場(chǎng)的許多人來說，B-TRAN仍然是一種未經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)備。Ideal Power采用的功率半導(dǎo)體架構(gòu)是大多數(shù)廠商都未曾考慮過的。他們也沒有真正接觸過B-TRAN。

功率半導(dǎo)體經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，從開放式純硅到摻雜電阻硅，從二極管到MOSFET和IGBT。

Brdar說：“IGBT由來已久。MOSFET也有幾十年的歷史了?！彼赋觯?jiǎn)而言之，功率半導(dǎo)體行業(yè)已經(jīng)很久沒有出現(xiàn)新的架構(gòu)了。

該行業(yè)是否已不思進(jìn)??？但有一點(diǎn)很明顯，它沒有像Ideal Power那樣認(rèn)識(shí)到對(duì)新型硅架構(gòu)的迫切需要。

Brdar解釋說，新硅架構(gòu)的想法來自于“需要解決制造更好的雙向電源開關(guān)問題的人們”。

為什么是雙向的？

Brdar解釋說：“如果你要用電池做任何事情，你就必須控制能量的雙向流動(dòng)?！?/p>

電池有一個(gè)充電和放電周期。他解釋說，從交流到直流以及從直流到交流的轉(zhuǎn)換必須盡可能高效，否則就會(huì)浪費(fèi)大量能量。

上市初創(chuàng)公司??

憑借B-TRAN，Ideal Power成為硅基功率半導(dǎo)體市場(chǎng)上的新秀，嚴(yán)格說來是一家“初創(chuàng)公司”。然而，這家成立于2007年的公司已經(jīng)成為一家上市公司。Brdar稱Ideal Power為“上市初創(chuàng)公司”。

Ideal Power一開始專注于工業(yè)和商業(yè)能源存儲(chǔ)。它與Sharp和Mercedes等解決方案供應(yīng)商合作，向市場(chǎng)推出了使用傳統(tǒng)IGBT的電源轉(zhuǎn)換器解決方案。?

就在那時(shí)，Ideal Power當(dāng)時(shí)的CTO發(fā)明了B-TRAN，當(dāng)時(shí)他正試圖提高公司的電源轉(zhuǎn)換器的效率。

Brdar解釋說：“遺憾的是，商用和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展耗時(shí)過長(zhǎng)，理想動(dòng)力公司的客戶，如Sharp、Mercedes等解決方案供應(yīng)商，都選擇了退出這項(xiàng)業(yè)務(wù)。”

當(dāng)時(shí)的電池公司還承諾，隨著電動(dòng)車的普及和電池容量的加速增長(zhǎng)，成本將大幅降低。

此時(shí)，Ideal Power意識(shí)到，基于他們自己的B-TRAN的半導(dǎo)體機(jī)會(huì)“要比電源轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)”。因此，Ideal Power出售了其電源轉(zhuǎn)換器業(yè)務(wù)，開始專注于半導(dǎo)體技術(shù)。

阻礙?????

問題在于，要改變SiC已是既定事實(shí)的工程界傳統(tǒng)觀念并非易事。許多公司在選擇SiC時(shí)都認(rèn)為硅已經(jīng)達(dá)到了其性能極限。

在電動(dòng)車功率電子領(lǐng)域，Ideal Power的優(yōu)勢(shì)在哪里？

Brdar說，在許多方面，“我們扮演著相當(dāng)關(guān)鍵的角色”。他補(bǔ)充說：“我的意思是，我們的技術(shù)確實(shí)是為傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的?！?/p>

這一切都與大功率應(yīng)用有關(guān)。Brdar解釋說，B-TRAN最有可能取代SiC的應(yīng)用領(lǐng)域是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的逆變器和電池熔斷器。

Brdar總結(jié)說，像Stellantis這樣的OEM正在“尋找一種既能提高性能，又不需要SiC那樣高成本的解決方案”。

成本問題?

許多功率電子產(chǎn)品從業(yè)者對(duì)一年前Tesla引起的一場(chǎng)爭(zhēng)議記憶猶新，當(dāng)時(shí)這家電動(dòng)車巨頭宣布了一項(xiàng)“總體規(guī)劃”，即“在下一代動(dòng)力總成中減少75%的SiC器件”。

行業(yè)觀察家認(rèn)為Tesla的說法令人費(fèi)解。在Tesla沒有詳細(xì)解釋的情況下，人們對(duì)該聲明有無數(shù)種解釋。

Tesla可能要求在動(dòng)力總成中增加集成度，減少SiC模塊的器件數(shù)量。也可能是指用新材料取代SiC。一些分析師認(rèn)為，Tesla未來將減少SiC器件，因?yàn)樾⌒蛙嚥恍枰敲锤叩墓β省?/p>

在各種猜測(cè)中，一個(gè)明確的共識(shí)是SiC太貴了。

隨著Tesla對(duì)這一問題的驗(yàn)證，Yole Group的分析師預(yù)測(cè)，IDM將面臨降低SiC成本的巨大壓力。

從Tesla的評(píng)論中還可以推斷出，Tesla可能會(huì)將SiC保留給更先進(jìn)、更大功率的車型。

Brdar認(rèn)為，Tesla暴露了一個(gè)基本困境：SiC成本太高，電動(dòng)車無法廣泛采用。

Brdar在演講中說：“如果你擁有像B-TRAN這樣的技術(shù)，你就可以降低成本，因?yàn)樗皇荢iC。B-TRAN還能提高車輛的續(xù)航能力，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)更高效的切換。他稱B-TRAN非常適合“混合動(dòng)力和純電動(dòng)車”。

雙面晶圓?????

至于B-TRAN的制造，好消息是它可以使用傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)晶圓廠。

Brdar解釋說，該公司在亞洲已經(jīng)擁有一座合格的晶圓廠，在歐洲的另一座晶圓廠也正在等待認(rèn)證。這兩家公司都將從事代工。

據(jù)Brdar稱，Stellantis已經(jīng)選擇了一家公司為傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用封裝器件?！跋乱浑A段的工作實(shí)際上是引入Tier 1，使他們能夠真正從我們這里獲得器件，并將其應(yīng)用到動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中”。

不過，Ideal Power必須與晶圓廠密切合作，晶圓廠“需要了解如何加工……雙面晶圓的兩面，這樣他們才能生產(chǎn)出質(zhì)量好、產(chǎn)量高的器件”，Brdar解釋說。

為什么是雙面？??

該公司表示，B-TRAN架構(gòu)要求雙面。Brdar解釋說：“因此，我們生產(chǎn)的一個(gè)器件可以取代目前使用的四個(gè)器件。你在每個(gè)方向上使用一對(duì)IGBT和二極管來制造傳統(tǒng)的雙向開關(guān)。我們的架構(gòu)允許我們?cè)谝粋€(gè)器件中實(shí)現(xiàn)所有這四個(gè)器件的功能，但它需要是一個(gè)雙面器件?！?/p>

B-TRAN不需要更精細(xì)的工藝節(jié)點(diǎn)。Brdar說：“B-TRAN使用的節(jié)點(diǎn)尺寸為‘幾微米’，這樣我們就能很好地對(duì)準(zhǔn)特征?！?/p>

回顧過去，Brdar承認(rèn)，Ideal Power在B-TRAN上面臨的最大挑戰(zhàn)之一是，“如何制造出一種高功率設(shè)備，使晶圓的正反兩面都能緊密對(duì)準(zhǔn)特征進(jìn)行加工……同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的良率”。

今天，他說：“我們已經(jīng)有了設(shè)備，現(xiàn)在正向客戶發(fā)貨，以便他們進(jìn)行評(píng)估。它們達(dá)到或超過了預(yù)期的性能要求。

授權(quán)??????

最終，Ideal Power打算將B-TRAN技術(shù)授權(quán)給目前生產(chǎn)IGBT和MOSFET器件的功率電子芯片制造商。畢竟，在為電動(dòng)車創(chuàng)造巨大市場(chǎng)的同時(shí)，車廠也不愿意依賴一家小型初創(chuàng)公司作為其關(guān)鍵部件的唯一供應(yīng)商。

在被問及有關(guān)授權(quán)的問題時(shí)，Brdar說：“我們希望真正以客戶為導(dǎo)向。Ideal Power的首要任務(wù)是獲得車廠的認(rèn)證。當(dāng)我們的產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，我們認(rèn)為就可以進(jìn)行更有成效的許可討論?！?/p>

追求電動(dòng)車和混合動(dòng)力內(nèi)部的功率電子需求是Ideal Power的理想。與SiC晶圓廠相比，B-TRAN的最大優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)所需的投資要小得多。然而，Ideal Power面臨的挑戰(zhàn)是，它要與包括中國在內(nèi)的公司競(jìng)爭(zhēng)，這些公司已經(jīng)加入了SiC浪潮，并在SiC器件生產(chǎn)方面做出了巨大的承諾。