新能源OBC放量，派恩杰SiC MOSFET凭世界领先性能率先上车
在新能源汽车中，车载充电机（On-board charger，OBC）是完成将交流电转换为电池所需的直流电，并决定充电功率和效率的关键部件，OBC技术的进步与用户充电体验有着非常大的关系。随着电动汽车的市场扩大和储能市场的兴起，对OBC在性能上提出了更高的要求。据悉，国内的龙头企业早在5年前就开始用SiC做OBC，如今OBC的技术越来越成熟，体积越做越小，成本越做越低，正值放量增长期。
然而，目前国产芯片厂商能做出SiC MOS的不多，国产汽车厂在SiC方面还是使用CREE、罗姆、ST产品为主。国内独一家的以创业公司身份通过国内车企OBC碳化硅测试的企业——派恩杰，一家年轻的第三代半导体功率器件的fabless公司，其SiC MOS产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破，获得了新能源汽车龙头企业数千万订单，并已开始低调供货。
OBC放量，SiC供应链资源稀缺
之前有行业专家认为随着整个充电桩特别是超快速的充电桩的普及，OBC会从车上拿下来，派恩杰半导体创始人兼总裁黄兴表示目前这个情况是不会发生的：“因为OBC虽然功率比较小，快充充电桩一般都是200千瓦、300千瓦，而OBC只有11千瓦，最多22千瓦，这个充电速度肯定不能同日而语。一方面，OBC作为一个应急的充电方案，给客户在使用电动汽车时提供了一个极大的安全保障，只要220伏的交流插进去，就可以保证车处于充电状态。”
“另一方面，随着电动汽车的普及和应用，它也有作为储能电池往外放电的需求，目前国内一些车厂已经将双向OBC作为标配放在车上。作为双向的解决方案，用SiC是最划算的，它跟储能的方案极其类似，能量因为存在着双向流动，只能用MOS。”黄兴接着说道。
如今OBC的技术越来越成熟，体积越做越小，成本越做越低。黄兴表示现在正是OBC放量的时候。对于汽车厂商则是一番攻城略地，兴起的汽车厂势必会争抢稀缺的SiC供应链资源。目前SiC全球的供给仅在车的领域就已经不够了。有消息称，近日国际某个龙头企业SiC MOS交期刚从52周延长到80周。
在SiC持续紧俏的情况下，多家国际大厂纷纷宣布扩产，国内在SiC的投入也在加大，至于产能过剩的担心，黄兴表示至少2025年前不会出现：“我们看到新能源市场在2025年前都是一个持续稳定增长的情况，而整个SiC目前全国的产能投入量虽然很大，但质量还没有达到可以供应车用的水平。目前国内大部分友商投入的SiC产能主要还是在供二极管，能量单向流动的应用为主。而新能源很多应用主要是能量双向流动，只能用MOS，不能用二极管，而且整个MOS的品控和技术难度相对来说是比较大的。虽然说国内投入了大量的资产，但是这些产能目前还没有看到他们能够释放出来的迹象，就算产能足够释放出来，到2025年前应该赶不上市场爆发的速度。”
国产SiC MOS难突破
目前国产的SiC产品主要以SiC二极管为主，SiC MOS的国产化则相对更加艰难。究其原因，黄兴解释道：“目前SiC这个行业相对来说比较新，到目前为止，很多商用软件在仿真碳化硅的时候，给出的预测都非常不准确，给设计者带来了很大的难度。在仿真里设计出一个很好的器件一旦流片出来，发现跟设计的完全不一样。因为SiC相对来说是一个比较小的细分行业，很多仿真软件不会专门为SiC投入太多的资源，导致这方面模型缺失。这就需要设计者从最底层物理上的模型，如SiC自身的电子迁移率、雪崩击穿的模型、热学仿真模型、工艺栅氧生长等方面对SiC材料进行校准，不断地进行实验迭代和完善。”
“另一方面，SiC本身材料成本比较高，目前开发几十款料号的成本就巨额上升。加之SiC加工难度比较大，很多工厂不具备这样的加工条件，就会极大地限制整个研发迭代的速度，这也是目前很多SiC公司很难推出成熟产品一个重要原因。”黄兴解补充道。
师从“IGBT之父”Jayant Baliga和ETO晶闸管发明人Alex Q. Huang，黄兴有着10余年碳化硅与氮化镓功率器件经验，2014-2017年在美期间发布20余款SiC/GaN量产产品，发布全球首款6英寸SiC 3300V MOSFET器件，发明首个可双向耐压SiC结终端结构。2018年，正值半导体行业低谷，黄兴看到了中国半导体市场的机会：“我当时看到了SiC的前景，掌握这个技术能够生产这个产品的主要还是欧美日三个地区的公司，而中国又占据了绝大部分的需求，却没有这样的公司，我觉得回来填补国内产业空白是比较有意义的事情，我就在那个时间点选择了回来。”
得益于在模型上的多年积累、各种量产经验以及客户应用方面经验的积累，得益于有着30年经验的成熟代工厂X-FAB快速的迭代周期的支持，使得派恩杰在仅3年多的时间就得以飞速发展。2019年3月，派恩杰发布了第一款可兼容驱动650V GaN功率器件；同年8月完成Gen3技术的1200V SiC MOS，填补了国内空白；2020年先后发布用于5G数据中心、服务器与工业辅助电源的650V、1700V工业级MOS以及用于车载充电机的650V车规级MOS；2021年2月发布1200V大电流车规级MOS，应用于电动汽车电驱单管及模块；2021年7月，完成1200V 62mm SiC模块的开发。
自建SiC模块封装产线，加速SiC上车
黄兴指出，国内很多工厂在车规模块上已经很有建树了，SiC上车目前核心的、在国内比较缺失的就是SiC功率模块。从碳化硅自身高频高速、低功耗的特性看，SiC已不太适合使用以前传统的功率模块，现在SiC在市面上量产比较成功的模块还是像特斯拉的T pack和目前大众批量应用的板桥模块的形式。国内这两年的碳化硅功率模块比较欠缺，因此派恩杰想借助自身芯片上的先发优势，在模块上继续进行技术的延伸和积累，拟建车用碳化硅模块封装产线。
由于派恩杰采用自己的芯片，对芯片在工业和汽车上的应用积累了大量的数据，知道自身芯片的优势和特性，因此在整个模块联合的设计中，会进行联合芯片上下联动的调校和优化，让模块去适应芯片。如英飞凌等功率模块做得好的国际大厂，其成功也与用自己的芯片关系重大。
“SiC缺陷类型有很多种，从成本的控制和良率的角度，有些缺陷工业级可以容忍，车规则不能容忍。可以把不符合车规的芯片挑出来，去做工业级的产品。至于一些致命缺陷，可以提前筛选出来。另外，可以想办法给材料厂提要求，帮助优化他们的产品，找到一个折衷的平衡点。”针对如何提供良率，黄兴进行了解释说明。
黄兴指出，目前派恩杰的产品良率在业内处于平均偏上的范围，综合良率是80%-90%，不同型号会有所不同。一般中小功率的芯片良率会在90%以上，功率偏大的，就会往下面掉，这是目前SiC原材料缺陷所导致的。如果抛开材料缺陷，只谈fab缺陷，良率是99%以上。
图1. SiC MOS指标对比
目前派恩杰的技术是对标CREE第三代平面栅SiC MOS，有客户端评测，其碳化硅的性能是全球前三。
在HDFM（器件的Rds(on)×器件的Qgd）这项评价指标中，HDFM是衡量功率半导体优劣的一个重要参数指标，该数值越低说明器件的综合损耗更小，效率更高。理想情况下，同样的应用场景，若派恩杰的SiC MOSFET功耗为10W，S品牌14W，C品牌11.8W，R品牌13.6W，某国产品牌20W。可见派恩杰在所有的平面栅技术里面是最好的，在开关损耗和导通损耗这两方面指标中，可以给客户提供最优的解决方案。
此外，在一些抗极限的指标实测中，如峰值功率、峰值电流和一些雪崩测试，派恩杰都可以满足比较苛刻的工业要求和车规的要求。目前上车的SiC MOS以平面栅技术为主，派恩杰坚持在平面栅技术上不断迭代，将Rds(on)×Qgd这个HDFM指标越做越小，保持技术上的先进性。
当前在全球SiC产业格局里，中国市场有着难得的机遇。黄兴表示：“中国现在最大的一个机遇就是碳达峰、碳中和趋势，现在已经作为国家的一个重大战略在进行部署。另外就是全球产业链，我国也开始强调自主安全的供应链上的要求，我们也得到了以前行业客户的重视。随着全球疫情的漫延，导致国际产业链重新整合，可能国外供不上的产品，现在中国可以供上，整体来说得到了很多以前没有的一些机会。”
不可否认的是，从全球的角度，SiC与IGBT相比，整个产业链还很脆弱。国内更是如此，需求端不断膨胀，而供给端目前还是处在一个技术迭代和技术验证的阶段，很多产能还释放不出来。派恩杰认为面临最大的挑战在于要帮助材料供应商去提升能力，但这并不是其自身所擅长的。“这给我们对整个供应链的管理，包括培养供应链带来了一些疑问。我们也只能在战争中学习战争，在不断积累自身核心技术的同时，也要想办法帮助上下游的供应链和客户的一起成长。”黄兴指出了当前面临的挑战。相信随着更多有责任心的企业加入，共同助力产业链上下游协同发展，就有机会抓住国内机遇，进一步加速本土SiC MOS上车。
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