近日，DIGITIMES Research给出了一组数据：预计到2025年，電(diàn)动汽車(chē)用(yòng)碳化硅（SiC）功率半导體(tǐ)将占SiC功率半导體(tǐ)总市场的37%以上，高于2021年的25%。
SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理(lǐ)想材料之一，令其成為(wèi)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)的理(lǐ)想选择。与传统解决方案相比，基于SiC的解决方案使重量更轻、系统效率更高且结构更紧凑。
在電(diàn)动汽車(chē)中，SiC功率半导體(tǐ)主要用(yòng)于控制電(diàn)机和驱动的逆变器、車(chē)载充電(diàn)器和快速充電(diàn)桩。对于逆变器而言，800V高压运行架构下的SiC功率半导體(tǐ)比传统硅器件的整體(tǐ)系统效率高8%。SiC功率半导體(tǐ)也使得散热系统设计更简单，机電(diàn)结构的空间更小(xiǎo)。对于快速充電(diàn)桩和車(chē)载充電(diàn)，与传统硅器件相比，SiC功率半导體(tǐ)在充電(diàn)过程中减少了所需的電(diàn)容和電(diàn)感的数量，也减少了能(néng)量损失。 SiC比硅更轻、更薄、更小(xiǎo)巧，市场应用(yòng)领域偏向1000V以上的中高压范围。車(chē)用(yòng)半导體(tǐ)中，SiC是未来趋势，目前，xEV車(chē)中的主驱逆变器仍以IGBT+硅FRD為(wèi)主，考虑到未来電(diàn)动車(chē)需要更長(cháng)的行驶里程、更短的充電(diàn)时间和更高的電(diàn)池容量，SiC基MOSFET将是大势所趋。SiC有(yǒu)望提高3%-5%的逆变器效率，从而降低電(diàn)池成本。 目前来看，車(chē)用(yòng)功率半导體(tǐ)器件中，仍以硅基IGBT為(wèi)主，而SiC基MOSFET代表着未来，因為(wèi)它性能(néng)更强，但目前推广的最大障碍就是高成本。然而，随着整車(chē)动力電(diàn)池包越来越大、電(diàn)机最大功率/峰值扭矩越来越高，SiC基MOSFET的优势就越显著。 要想充分(fēn)发挥MOSFET的优势，就需要控制承压层深度和掺杂浓度等技术参数，以获得更高的工作電(diàn)压、最大功率和综合效率。目前，SiC基MOSFET系统的综合效率（以逆变器效率计算）约為(wèi)98%，在应用(yòng)层面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有(yǒu)本征优势。 SiC 应用(yòng)到電(diàn)动汽車(chē)的逆变器、OBC、DC/DC时，更低的阻抗可(kě)带来更小(xiǎo)的尺寸，更高的工作频率可(kě)以有(yǒu)效降低電(diàn)感、電(diàn)容等元器件的尺寸，且更耐高温，可(kě)以减小(xiǎo)冷却系统的尺寸，最终带来的是系统级的體(tǐ)积缩小(xiǎo)和成本的降低。
車(chē)用(yòng)SiC器件
SiC用(yòng)在車(chē)用(yòng)逆变器上，能(néng)够大幅度降低逆变器尺寸和重量，做到轻量化与节能(néng)。在相同功率等级下，全SiC模块的封装尺寸显著小(xiǎo)于硅模块，同时也可(kě)以使开关损耗降低75％（芯片温度為(wèi)150° C）。在相同封装下，全SiC模块具备更高的電(diàn)流输出能(néng)力，支持逆变器达到更高功率。
特斯拉的Model 3采用(yòng)了英飞凌和意法半导體(tǐ)的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的車(chē)企。而早在2017年12月，罗姆為(wèi)VENTURI車(chē)队在電(diàn)动汽車(chē)全球顶级赛事“FIAFormula E”锦标赛中提供了采用(yòng)全SiC功率模块制造的逆变器，使逆变器重量减轻了6kg，尺寸下降了43%。 逆变器已经开始使用(yòng)IGBT+SiC SBD的混合方案，预计全SiC的逆变器将从2023年开始在主流豪华車(chē)品牌中量产。 据罗姆测算，到2026年，几乎所有(yǒu)搭载800V动力電(diàn)池的車(chē)型采用(yòng)SiC方案都将更具成本优势。 此外，車(chē)载OBC和DC/DC，已经开始采用(yòng)SiC器件。全SiC方案也有(yǒu)望从 2021年开始量产。 新(xīn)能(néng)源車(chē)的功率控制单元（PCU）是汽車(chē)電(diàn)驱系统的中枢神经，管理(lǐ)電(diàn)池中的電(diàn)能(néng)与電(diàn)机之间的流向和传递速度，传统PCU使用(yòng)硅基材料制成，强電(diàn)流与高压電(diàn)穿过硅制晶體(tǐ)管和二极管的时的電(diàn)能(néng)损耗是混合动力車(chē)最主要的電(diàn)能(néng)损耗来源，而使用(yòng)SiC则可(kě)大大降低这一过程中的能(néng)量损失。 将传统PCU配备的硅二极管换成SiC二极管，硅IGBT换成SiC MOSFET，就可(kě)以降低10%的总能(néng)量损耗，同时也可(kě)以大幅降低器件尺寸，使車(chē)辆更為(wèi)紧凑。 SiC功率器件也在加速融入車(chē)载充電(diàn)器领域，已有(yǒu)多(duō)家厂商(shāng)推出了面向HEV/EV等電(diàn)动汽車(chē)充電(diàn)器的SiC功率器件。据Yole统计，这一市场在2023年之前可(kě)保持44%的增長(cháng)速度。
成本控制
目前，制约SiC功率器件大规模应用(yòng)的主要障碍依然是成本，受制于上游晶圆产能(néng)不足、晶圆缺陷面积较大等原因，目前SiC功率器件的价格是硅的5-10倍。
成本问题主要源于低效的晶體(tǐ)生長(cháng)过程，传统硅晶圆制作是将多(duō)晶硅在1500℃左右融化后，将籽晶放入其中边匀速旋转边向上提拉形成约2m的硅锭，再进行切割、倒角、抛光、蚀刻、退火等操作，然后形成晶圆。而SiC晶锭的制作比硅低效很(hěn)多(duō)，普遍采用(yòng)PVT 法，将固态 SiC加热至2500℃升华后，在温度稍低的高质量SiC籽晶上重新(xīn)结晶而成。 SiC晶圆的尺寸迭代与硅相比仍处于早期阶段，目前许多(duō)主流厂商(shāng)都已经量产6英寸晶圆，并同步进行8英寸的研发，计划最早于2022年量产8英寸晶圆。单片8英寸晶圆芯片产量可(kě)达到6英寸的1.8倍，但同时也面临着缺陷密度变高等难题。
不过，2022年有(yǒu)望成為(wèi)SiC价格下降的转折点，因為(wèi)主流豪华車(chē)品牌开始量产采用(yòng)SiC方案的車(chē)型，这将大幅提升衬底厂商(shāng)8英寸線(xiàn)的产能(néng)利用(yòng)率。到2025年，SiC器件价格有(yǒu)望下降到当前水平的1/4-1/3，结合電(diàn)池成本的节省，SiC的性价比将显著提高。
需求大增
新(xīn)能(néng)源汽車(chē)行业存在续航和充電(diàn)的“老大难”亟需解决，為(wèi)此車(chē)企需要转换效率更高的功率半导體(tǐ)，这成了SiC功率器件市场拓展的重要驱动力。作為(wèi)第三代半导體(tǐ)材料之一的SiC 具有(yǒu)更宽的禁带宽度，更高的击穿電(diàn)场、热导率、電(diàn)子饱和速率及抗辐射能(néng)力，因而SiC 功率器件在高電(diàn)压额定值、低导通電(diàn)阻和快速开关速度等方面有(yǒu)良好的性能(néng)表现，可(kě)满足車(chē)企能(néng)源转换以及提高能(néng)效等方面的需求。
尤其是在提高能(néng)效方面，SiC器件相比其他(tā)硅基材料产品优势突出。博世汽車(chē)電(diàn)子中國(guó)區(qū)总裁Georges Andary表示，碳化硅半导體(tǐ)能(néng)為(wèi)電(diàn)机带来更高的功率，将為(wèi)汽車(chē)行业带来新(xīn)的变革。相较于传统硅基产品，使用(yòng)碳化硅产品能(néng)耗降低50%，功率也有(yǒu)所提升让汽車(chē)续航里程提高6%。
从2019年新(xīn)能(néng)源汽車(chē)销量来看，中國(guó)仍占据着全球新(xīn)能(néng)源汽車(chē)市场的半壁江山(shān)，这也是國(guó)际各主要大厂加大第三代半导體(tǐ)SiC布局的重点市场。据了解，SiC器件市场份额主要集中在海外厂商(shāng)手上，其中Infineon、ROHM、ST和Cree四家企业占据全球近9成市场份额。除了中游Cree、ROHM、Infineon等半导體(tǐ)厂商(shāng)推出車(chē)规级SiC Mosfet产品外，下游以博世等tier 1公司為(wèi)代表的企业迅猛推进車(chē)用(yòng)半导體(tǐ)，其第三代半导體(tǐ)正式进入汽車(chē)供应链，与下游企业合作紧密。行业内人士向集微网表示，“汽車(chē)产业链是目前碳化硅用(yòng)量最大的集中地，博世凭借全球第一tier 1公司的优势，在功率半导體(tǐ)器件方面出货迅猛，现已排到欧洲半导體(tǐ)出货量第四位。”
市场格局
从产业格局看，目前全球SiC产业格局呈现美國(guó)、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美國(guó)全球独大，占有(yǒu)全球SiC产量的70%-80%；欧洲拥有(yǒu)完整的SiC衬底、外延、器件以及应用(yòng)产业链，在全球電(diàn)力電(diàn)子市场拥有(yǒu)强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。
在SiC应用(yòng)于電(diàn)动汽車(chē)方面，SiC肖特基二极管器件已经广泛应用(yòng)于高端電(diàn)源市场，包括PFC、光伏逆变器和高端家電(diàn)变频器。以SiC的龙头企业美國(guó)科(kē)锐、德國(guó)英飞凌、日本罗姆等半导體(tǐ)巨头公司為(wèi)代表的功率器件公司逐步推出SiC金属一氧化物(wù)半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管 (MOSFET)、双极结型晶體(tǐ)管 (BJT)、结 型场效应管 (JFET)、绝缘栅双极型晶體(tǐ)管 (IG—BT)产品。其中日本企业在SiC应用(yòng)推广上更加积极，不断推出SiC二极管和 MOSFET的功率模块 ，并在電(diàn)动汽車(chē)和轨道交通上不断进行应用(yòng)研究，目前已经取得了明显的成就。
日本：目前SiC器件在電(diàn)动汽車(chē)（含混合动力汽車(chē)）上应用(yòng)发展最快的是日本企业，典型為(wèi)丰田公司。丰田中央研发实验室和電(diàn)装公司 从1980年就开始合作开发SiC半导體(tǐ)材料，2014年5月他(tā)们正式发布了基于SiC半导體(tǐ)器件的零部件——应用(yòng)于新(xīn)能(néng)源汽車(chē)的功率控制单元（PCU）。另外，本田汽車(chē)公司、日产汽車(chē)公司均和罗姆公司 就HEV／EV应用(yòng)SiC半导體(tǐ)技术进行了多(duō)年的合作研究。本田和罗姆公司共同开发出了使用(yòng)SiC半导體(tǐ)器件的高功率電(diàn)源模块，将转换器和逆变器的二极管和晶體(tǐ)管全部由硅器件改為(wèi)SiC器件。
美國(guó)：福特汽車(chē)公司2015年底宣布计划為(wèi)電(diàn)动汽車(chē)项目投资45亿美元。近年福特公司已经就SiC／GaN器件在混合动力汽車(chē)上的应用(yòng)进行了投资研究。另外，特斯拉已在車(chē)型中应用(yòng)SiC功率器件。
另外SiC技术的著名企业美國(guó)Cree公司开发了多(duō)款适合于新(xīn)能(néng)源汽車(chē)使用(yòng)的SiC功率模块，并和 合作伙伴合作推出了使用(yòng)SiC功率模块和二极管 的電(diàn)动汽車(chē)充電(diàn)桩整體(tǐ)解决方案。
中國(guó)市场
来自ev sales的数据显示，2019年全球新(xīn)能(néng)源汽車(chē)销量為(wèi)215万辆，中國(guó)市场销量达到116万辆，占全球比重达54%。
据统计，2020年、2023年、2025年，中國(guó)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)产量分(fēn)别為(wèi)160万辆、320万辆、480万辆。2020-2022年，只有(yǒu)少部分(fēn)B级及以上車(chē)型采用(yòng)SiC基MOSFET，其他(tā)車(chē)型采用(yòng)硅基IGBT，预计2023年是8英寸SiC衬底技术商(shāng)业化初步成熟之年，届时，相当数量的B级及以上車(chē)型将采用(yòng)SiC基MOSFET，A级及以下車(chē)型仍使用(yòng)硅基IGBT。SiC基 MOSFET成本每年降低2%。 据中信建投证券估计，到2025年，中國(guó)新(xīn)能(néng)源汽車(chē)用(yòng)功率器件市场规模在100亿元以上，其中硅基IGBT逾70亿元，SiC基MOSFET近40亿元。 受益于新(xīn)能(néng)源和混动汽車(chē)销量快速增長(cháng)，以及新(xīn)能(néng)源双积分(fēn)政策推动，國(guó)内汽車(chē)功率半导體(tǐ)将保持旺盛的市场需求。中長(cháng)期来看，SiC基MOSFET发展潜力巨大，值得期待。
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