在新能源汽車中，車載充電機（On-board charger，OBC）是完成將交流電轉換為電池所需的直流電，并決定充電功率和效率的關鍵部件，OBC技術的進步與用戶充電體驗有著非常大的關系。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。據悉，國內的龍頭企業早在5年前就開始用SiC做OBC，如今OBC的技術越來越成熟，體積越做越小，成本越做越低，正值放量增長期。
然而，目前國產芯片廠商能做出SiC MOS的不多，國產汽車廠在SiC方面還是使用CREE、羅姆、ST產品為主。國內獨一家的以創業公司身份通過國內車企OBC碳化硅測試的企業——派恩杰，一家年輕的第三代半導體功率器件的fabless公司，其SiC MOS產品在新能源汽車OBC應用驗證取得了重大突破，獲得了新能源汽車龍頭企業數千萬訂單，并已開始低調供貨。
派恩杰半導體創始人兼總裁 黃興博士（圖源：派恩杰公司）
OBC放量，SiC供應鏈資源稀缺
之前有行業專家認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，派恩杰半導體創始人兼總裁黃興表示目前這個情況是不會發生的：“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。”
“另一方面，隨著電動汽車的普及和應用，它也有作為儲能電池往外放電的需求，目前國內一些車廠已經將雙向OBC作為標配放在車上。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的技術越來越成熟，體積越做越小，成本越做越低。黃興表示現在正是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供應鏈資源。目前SiC全球的供給僅在車的領域就已經不夠了。有消息稱，近日國際某個龍頭企業SiC MOS交期剛從52周延長到80周。
在SiC持續緊俏的情況下，多家國際大廠紛紛宣布擴產，國內在SiC的投入也在加大，至于產能過剩的擔心，黃興表示至少2025年前不會出現：“我們看到新能源市場在2025年前都是一個持續穩定增長的情況，而整個SiC目前全國的產能投入量雖然很大，但質量還沒有達到可以供應車用的水平。目前國內大部分友商投入的SiC產能主要還是在供二極管，能量單向流動的應用為主。而新能源很多應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的品控和技術難度相對來說是比較大的。雖然說國內投入了大量的資產，但是這些產能目前還沒有看到他們能夠釋放出來的跡象，就算產能足夠釋放出來，到2025年前應該趕不上市場爆發的速度。”
國產SiC MOS難突破
目前國產的SiC產品主要以SiC二極管為主，SiC MOS的國產化則相對更加艱難。究其原因，黃興解釋道：“目前SiC這個行業相對來說比較新，到目前為止，很多商用軟件在仿真碳化硅的時候，給出的預測都非常不準確，給設計者帶來了很大的難度。在仿真里設計出一個很好的器件一旦流片出來，發現跟設計的完全不一樣。因為SiC相對來說是一個比較小的細分行業，很多仿真軟件不會專門為SiC投入太多的資源，導致這方面模型缺失。這就需要設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、熱學仿真模型、工藝柵氧生長等方面對SiC材料進行校準，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迭代的速度，這也是目前很多SiC公司很難推出成熟產品一個重要原因。”黃興解補充道。
師從“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶閘管發明人Alex Q. Huang，黃興有著10余年碳化硅與氮化鎵功率器件經驗，2014-2017年在美期間發布20余款SiC/GaN量產產品，發布全球首款6英寸SiC3300V MOSFET器件，發明首個可雙向耐壓SiC結終端結構。2018年，正值半導體行業低谷，黃興看到了中國半導體市場的機會：“我當時看到了SiC的前景，掌握這個技術能夠生產這個產品的主要還是歐美日三個地區的公司，而中國又占據了絕大部分的需求，卻沒有這樣的公司，我覺得回來填補國內產業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、各種量產經驗以及客戶應用方面經驗的積累，得益于有著30年經驗的成熟代工廠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展。2019年3月，派恩杰發布了第一款可兼容驅動650V GaN功率器件；同年8月完成Gen3技術的1200V SiC MOS，填補了國內空白；2020年先后發布用于5G數據中心、服務器與工業輔助電源的650V、1700V工業級MOS以及用于車載充電機的650V車規級MOS；2021年2月發布1200V大電流車規級MOS，應用于電動汽車電驅單管及模塊；2021年7月，完成1200V 62mm SiC模塊的開發。
自建SiC模塊封裝產線，加速SiC上車
黃興指出，國內很多工廠在車規模塊上已經很有建樹了，SiC上車目前核心的、在國內比較缺失的就是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的功率模塊，現在SiC在市面上量產比較成功的模塊還是像特斯拉的T pack和目前大眾批量應用的板橋模塊的形式。國內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優勢，在模塊上繼續進行技術的延伸和積累，擬建車用碳化硅模塊封裝產線。
由于派恩杰采用自己的芯片，對芯片在工業和汽車上的應用積累了大量的數據，知道自身芯片的優勢和特性，因此在整個模塊聯合的設計中，會進行聯合芯片上下聯動的調校和優化，讓模塊去適應芯片。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，有些缺陷工業級可以容忍，車規則不能容忍。可以把不符合車規的芯片挑出來，去做工業級的產品。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，幫助優化他們的產品，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，目前派恩杰的產品良率在業內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指標對比（圖源：派恩杰公司）
目前派恩杰的技術是對標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）這項評價指標中，HDFM是衡量功率半導體優劣的一個重要參數指標，該數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，某國產品牌20W。可見派恩杰在所有的平面柵技術里面是最好的，在開關損耗和導通損耗這兩方面指標中，可以給客戶提供最優的解決方案。
此外，在一些抗極限的指標實測中，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要求和車規的要求。目前上車的SiC MOS以平面柵技術為主，派恩杰堅持在平面柵技術上不斷迭代，將Rds(on)×Qgd這個HDFM指標越做越小，保持技術上的先進性。
黃興透露，預計2022年初產線動工，到2022年底會有樣品出來。
當前在全球SiC產業格局里，中國市場有著難得的機遇。黃興表示：“中國現在最大的一個機遇就是碳達峰、碳中和趨勢，現在已經作為國家的一個重大戰略在進行部署。另外就是全球產業鏈，我國也開始強調自主安全的供應鏈上的要求，我們也得到了以前行業客戶的重視。隨著全球疫情的漫延，導致國際產業鏈重新整合，可能國外供不上的產品，現在中國可以供上，整體來說得到了很多以前沒有的一些機會。”
不可否認的是，從全球的角度，SiC與IGBT相比，整個產業鏈還很脆弱。國內更是如此，需求端不斷膨脹，而供給端目前還是處在一個技術迭代和技術驗證的階段，很多產能還釋放不出來。派恩杰認為面臨最大的挑戰在于要幫助材料供應商去提升能力，但這并不是其自身所擅長的。“這給我們對整個供應鏈的管理，包括培養供應鏈帶來了一些疑問。我們也只能在戰爭中學習戰爭，在不斷積累自身核心技術的同時，也要想辦法幫助上下游的供應鏈和客戶的一起成長。”黃興指出了當前面臨的挑戰。相信隨著更多有責任心的企業加入，共同助力產業鏈上下游協同發展，就有機會抓住國內機遇，進一步加速本土SiC MOS上車。
