单机SiC用量超480颗！eVTOL市场未来可期？

xubenben0313

2月20日，国外媒体“RealIZM 博客”报道了一个eVTOL垂直升降飞行器的碳化硅电控设计，在碳化硅技术方面，该电控有2个亮点：
▲ 单个电控的SiC MOSFET芯片用量合计60颗，而且整个eVTOL需要用到8个电机电控，合计芯片用量480颗，大概7台eVTOL可以消耗10片碳化硅衬底，2035年SiC MOSFET用量超2000万颗。
▲ SiC采用了分立式SMD单管封装形式，而不是常规模块。

eVTOL电控技术创新
采用60颗SiC MOSFET
欧洲航空业提出，要到2050年实现气候中性和可持续性，这意味着从2035年开始需要推出气候中性飞机。而这需要为飞机提供可以替代化石燃料的高能效电动推进系统和所有辅助系统。为了使短途飞行高效且环保，其中需要电机逆变器的效率通常要高达99%。
为此，德国航空航天中心航空研究项目管理局通过 BMWK资助了TELEV项目，该项目是希望通过电力电子、配电和控制的技术创新，为载人飞机混合电力推进系统的技术创新提供支持。该项目参与单位包括：空客公司、英飞凌、弗劳恩霍夫（Fraunhofer）、利勃海尔国际。
我们先来看一下这个eVTOL电控结构，其最大的特点是采用了空气对流冷却方式，这样可以尽可能利用eVTOL旋翼飞机的气流，冷空意味着可以省去由泵、软管和储液器等构成的复杂流体冷却装置，从而减少体积和重量。

为了实现这一点，Fraunhofer IZM团队提出了两项技术创新：
▲ SiC MOSFET采用绝缘单芯片封装：通过高开关效率提高驱动转换器的整体效率，同时最大限度地减少了系统所需的空间。
▲ 基于两个膨胀机制（expander mechanisms）的空气对流冷却概念：使得电机逆变器无需液体冷却，从而降低 eVTOL的制造成本和重量。
（编者按：在空气冷却系统中，"expander mechanisms" 通常指利用气体膨胀的热力学过程或机械装置实现降温。）
据Fraunhofer IZM介绍，第一种膨胀机制通过在圆型PCB上布置60颗较小的SiC MOSFET器件，这样可以确保热量损失是围绕整个外壳圆周的圆形分布。
第二种膨胀机制使用更坚固的铝结构，这样可以将SiC MOSFET的垂直热流重新定向为水平热流，继而流向整个外壳。而且它还配备了散热片，大大增加了表面积，并将产生的热量传递给流过的空气。

SMD绝缘封装
重复发挥SiC优势
接下来，我们看看SiC MOSFET的芯片封装形式。
在传统功率模块封装无法充分利用SiC或 GaN的性能优势，因为寄生效应会导致出现振铃、EMI和寄生导通等问题。

Fraunhofer IZM团队成功开发出一种新的SiC MOSFET器件封装技术——SMD表面封装，可以兼顾成本便宜、低电感、散热器绝缘、散热路径好4个关键特性。
Fraunhofer IZM认为，要降低成本，首先要采用新型PCB技术：
▲ 一是以极高的数量和低成本，来生产大型面板形式封装。
▲ 二是平面设计可将电气层直接置于顶部，从而形成低电感结构。
▲ 三是SiC芯片烧结在陶瓷基板上，具有非常好的热性能，有助于快速消散芯片中的高热损耗。
▲ 四是单个SiC芯片易于更换，也有助于降低成本，而且反向电压可提高到3.3 kV或更高。
▲ 五是SMD 组件可以使用现有的组装工艺，轻松且经济高效地将安装到SiC MOSFET整个PCB上，整个封装过程所需的洁净室设施也要少得多。
单个eVTOL用量达480颗
2035年SiC MOS用量超2000万颗
最后，我们来看看碳化硅在eVTOL领域的市场前景。
当前主流eVTOL电机控制器功率等级集中在60-100kW范围，部分推力电机功率可达 80-100kW，峰值功率突破110kW。在具体应用场景中，多旋翼构型通常采用多个电机冗余设计，通常需配置至少 8个电机，电机电控在eVTOL的成本占比在10%-20%。
假设每架eVTOL需8个电机，单个130kW电控使用60颗SiC MOSFET，则单机的SiC芯片总需求量为8×60=480颗。
据保时捷管理咨询预测，2030年载人eVTOL的年新增需求将达到1.2万台，2035年接近4.2万台。以此简单计算，eVTOL的SiC MOSFET需求量分别为：
▲ 2030年：480×1.2万=576万颗；
▲ 2035年：480×4.2万=2016万颗；
根据SiC MOSFET芯片的需求量推算，2030年和2035年eVTOL领域对碳化硅衬底的需求量分别约为1.65万片和5.76万片左右（折合6英寸）。

目前，许多商用飞行器已经导入了碳化硅器件，典型商业化案例包括：
▲ 小鹏汇天eVTOL：全球首个800V SiC增程动力平台应用于其飞行汽车，陆行体与飞行体均采用SiC技术，支撑高频次城市空中交通。
▲ Lilium eVTOL：推进系统成本占比超40%，SiC器件通过优化功率密度和散热设计，显著降低系统总成本。
▲ NASA X-57 Maxwell实验飞机：其巡航电机控制器采用SiC晶体管，在高功率起飞和巡航阶段效率达98%。
▲ 空客CityAirbus NextGen eVTOL：搭载SiC逆变器，已完成多次稳定飞行测试，目标通过FAA和EASA认证后投入商用。
▲ 劳斯莱斯电动飞机：采用迈凯伦800V SiC逆变器，可在60秒内爬升至3000米高度，计划实现跨大西洋6小时飞行。
▲ Ampaire EEL混合动力飞机：搭载亿马先锋SiC控制器，完成1826公里长距离直飞，预计2024年启动客运服务。
▲ Archer Aviation eVTOL：霍尼韦尔为其提供含SiC器件的热管理系统，目标2024年通过认证，美联航已预订200架。
▲ 阿肯色大学塞斯纳337改造项目：采用Wolfspeed SiC功率模块替代燃油发动机，优化电气-热学-机械系统设计，成功完成试飞。
▲ H3X HPDM-3000电机：功率密度达10 kW/kg（为传统电机的2倍），获NASA和美国空军订单，意向合同超7亿美元。
综上，SiC在低空经济领域已从实验阶段迈向商业化，未来将加速替代传统硅基器件，推动电动飞行器规模化应用。
来源：行家说三代半
*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。