[熱點分享]汽車SIC功率半導體勢不可擋
近日，DIGITIMES Research給出了一組數據：預計到2025年，電動汽車用碳化硅（SiC）功率半導體將占SiC功率半導體總市場的37%以上，高于2021年的25%。
SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，令其成為新能源汽車的理想選擇。與傳統解決方案相比，基于SiC的解決方案使重量更輕、系統效率更高且結構更緊湊。
在電動汽車中，SiC功率半導體主要用于控制電機和驅動的逆變器、車載充電器和快速充電樁。對于逆變器而言，800V高壓運行架構下的SiC功率半導體比傳統硅器件的整體系統效率高8%。SiC功率半導體也使得散熱系統設計更簡單，機電結構的空間更小。對于快速充電樁和車載充電，與傳統硅器件相比，SiC功率半導體在充電過程中減少了所需的電容和電感的數量，也減少了能量損失。 SiC比硅更輕、更薄、更小巧，市場應用領域偏向1000V以上的中高壓范圍。車用半導體中，SiC是未來趨勢，目前，xEV車中的主驅逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來電動車需要更長的行駛里程、更短的充電時間和更高的電池容量，SiC基MOSFET將是大勢所趨。SiC有望提高3%-5%的逆變器效率，從而降低電池成本。 目前來看，車用功率半導體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來，因為它性能更強，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車動力電池包越來越大、電機最大功率/峰值扭矩越來越高，SiC基MOSFET的優勢就越顯著。 要想充分發揮MOSFET的優勢，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術參數，以獲得更高的工作電壓、最大功率和綜合效率。目前，SiC基MOSFET系統的綜合效率（以逆變器效率計算）約為98%，在應用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優勢。 SiC 應用到電動汽車的逆變器、OBC、DC/DC時，更低的阻抗可帶來更小的尺寸，更高的工作頻率可以有效降低電感、電容等元器件的尺寸，且更耐高溫，可以減小冷卻系統的尺寸，最終帶來的是系統級的體積縮小和成本的降低。
車用SiC器件
SiC用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸和重量，做到輕量化與節能。在相同功率等級下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時也可以使開關損耗降低75％（芯片溫度為150° C）。在相同封裝下，全SiC模塊具備更高的電流輸出能力，支持逆變器達到更高功率。
特斯拉的Model 3采用了英飛凌和意法半導體的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。而早在2017年12月，羅姆為VENTURI車隊在電動汽車全球頂級賽事“FIAFormula E”錦標賽中提供了采用全SiC功率模塊制造的逆變器，使逆變器重量減輕了6kg，尺寸下降了43%。 逆變器已經開始使用IGBT+SiC SBD的混合方案，預計全SiC的逆變器將從2023年開始在主流豪華車品牌中量產。 據羅姆測算，到2026年，幾乎所有搭載800V動力電池的車型采用SiC方案都將更具成本優勢。 此外，車載OBC和DC/DC，已經開始采用SiC器件。全SiC方案也有望從 2021年開始量產。 新能源車的功率控制單元（PCU）是汽車電驅系統的中樞神經，管理電池中的電能與電機之間的流向和傳遞速度，傳統PCU使用硅基材料制成，強電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時的電能損耗是混合動力車最主要的電能損耗來源，而使用SiC則可大大降低這一過程中的能量損失。 將傳統PCU配備的硅二極管換成SiC二極管，硅IGBT換成SiC MOSFET，就可以降低10%的總能量損耗，同時也可以大幅降低器件尺寸，使車輛更為緊湊。 SiC功率器件也在加速融入車載充電器領域，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動汽車充電器的SiC功率器件。據Yole統計，這一市場在2023年之前可保持44%的增長速度。
成本控制
目前，制約SiC功率器件大規模應用的主要障礙依然是成本，受制于上游晶圓產能不足、晶圓缺陷面積較大等原因，目前SiC功率器件的價格是硅的5-10倍。
成本問題主要源于低效的晶體生長過程，傳統硅晶圓制作是將多晶硅在1500℃左右融化后，將籽晶放入其中邊勻速旋轉邊向上提拉形成約2m的硅錠，再進行切割、倒角、拋光、蝕刻、退火等操作，然后形成晶圓。而SiC晶錠的制作比硅低效很多，普遍采用PVT 法，將固態 SiC加熱至2500℃升華后，在溫度稍低的高質量SiC籽晶上重新結晶而成。 SiC晶圓的尺寸迭代與硅相比仍處于早期階段，目前許多主流廠商都已經量產6英寸晶圓，并同步進行8英寸的研發，計劃最早于2022年量產8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產量可達到6英寸的1.8倍，但同時也面臨著缺陷密度變高等難題。
不過，2022年有望成為SiC價格下降的轉折點，因為主流豪華車品牌開始量產采用SiC方案的車型，這將大幅提升襯底廠商8英寸線的產能利用率。到2025年，SiC器件價格有望下降到當前水平的1/4-1/3，結合電池成本的節省，SiC的性價比將顯著提高。
需求大增
新能源汽車行業存在續航和充電的“老大難”亟需解決，為此車企需要轉換效率更高的功率半導體，這成了SiC功率器件市場拓展的重要驅動力。作為第三代半導體材料之一的SiC 具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場、熱導率、電子飽和速率及抗輻射能力，因而SiC 功率器件在高電壓額定值、低導通電阻和快速開關速度等方面有良好的性能表現，可滿足車企能源轉換以及提高能效等方面的需求。
尤其是在提高能效方面，SiC器件相比其他硅基材料產品優勢突出。博世汽車電子中國區總裁Georges Andary表示，碳化硅半導體能為電機帶來更高的功率，將為汽車行業帶來新的變革。相較于傳統硅基產品，使用碳化硅產品能耗降低50%，功率也有所提升讓汽車續航里程提高6%。
從2019年新能源汽車銷量來看，中國仍占據著全球新能源汽車市場的半壁江山，這也是國際各主要大廠加大第三代半導體SiC布局的重點市場。據了解，SiC器件市場份額主要集中在海外廠商手上，其中Infineon、ROHM、ST和Cree四家企業占據全球近9成市場份額。除了中游Cree、ROHM、Infineon等半導體廠商推出車規級SiC Mosfet產品外，下游以博世等tier 1公司為代表的企業迅猛推進車用半導體，其第三代半導體正式進入汽車供應鏈，與下游企業合作緊密。行業內人士向集微網表示，“汽車產業鏈是目前碳化硅用量最大的集中地，博世憑借全球第一tier 1公司的優勢，在功率半導體器件方面出貨迅猛，現已排到歐洲半導體出貨量第四位?！?/span>
市場格局
從產業格局看，目前全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。其中美國全球獨大，占有全球SiC產量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，在全球電力電子市場擁有強大的話語權；日本是設備和模塊開發方面的絕對領先者。
在SiC應用于電動汽車方面，SiC肖特基二極管器件已經廣泛應用于高端電源市場，包括PFC、光伏逆變器和高端家電變頻器。以SiC的龍頭企業美國科銳、德國英飛凌、日本羅姆等半導體巨頭公司為代表的功率器件公司逐步推出SiC金屬一氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET)、雙極結型晶體管 (BJT)、結 型場效應管 (JFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IG—BT)產品。其中日本企業在SiC應用推廣上更加積極，不斷推出SiC二極管和 MOSFET的功率模塊 ，并在電動汽車和軌道交通上不斷進行應用研究，目前已經取得了明顯的成就。
日本：目前SiC器件在電動汽車（含混合動力汽車）上應用發展最快的是日本企業，典型為豐田公司。豐田中央研發實驗室和電裝公司 從1980年就開始合作開發SiC半導體材料，2014年5月他們正式發布了基于SiC半導體器件的零部件——應用于新能源汽車的功率控制單元（PCU）。另外，本田汽車公司、日產汽車公司均和羅姆公司 就HEV／EV應用SiC半導體技術進行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開發出了使用SiC半導體器件的高功率電源模塊，將轉換器和逆變器的二極管和晶體管全部由硅器件改為SiC器件。
美國：福特汽車公司2015年底宣布計劃為電動汽車項目投資45億美元。近年福特公司已經就SiC／GaN器件在混合動力汽車上的應用進行了投資研究。另外，特斯拉已在車型中應用SiC功率器件。
另外SiC技術的著名企業美國Cree公司開發了多款適合于新能源汽車使用的SiC功率模塊，并和 合作伙伴合作推出了使用SiC功率模塊和二極管 的電動汽車充電樁整體解決方案。
中國市場
來自ev sales的數據顯示，2019年全球新能源汽車銷量為215萬輛，中國市場銷量達到116萬輛，占全球比重達54%。
據統計，2020年、2023年、2025年，中國新能源汽車產量分別為160萬輛、320萬輛、480萬輛。2020-2022年，只有少部分B級及以上車型采用SiC基MOSFET，其他車型采用硅基IGBT，預計2023年是8英寸SiC襯底技術商業化初步成熟之年，屆時，相當數量的B級及以上車型將采用SiC基MOSFET，A級及以下車型仍使用硅基IGBT。SiC基 MOSFET成本每年降低2%。 據中信建投證券估計，到2025年，中國新能源汽車用功率器件市場規模在100億元以上，其中硅基IGBT逾70億元，SiC基MOSFET近40億元。 受益于新能源和混動汽車銷量快速增長，以及新能源雙積分政策推動，國內汽車功率半導體將保持旺盛的市場需求。中長期來看，SiC基MOSFET發展潛力巨大，值得期待。
