[熱點(diǎn)分享]汽車(chē)SIC功率半導(dǎo)體勢(shì)不可擋
近日，DIGITIMES Research給出了一組數(shù)據(jù)：預(yù)計(jì)到2025年，電動(dòng)汽車(chē)用碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體將占SiC功率半導(dǎo)體總市場(chǎng)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(chē)的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于SiC的解決方案使重量更輕、系統(tǒng)效率更高且結(jié)構(gòu)更緊湊。
在電動(dòng)汽車(chē)中，SiC功率半導(dǎo)體主要用于控制電機(jī)和驅(qū)動(dòng)的逆變器、車(chē)載充電器和快速充電樁。對(duì)于逆變器而言，800V高壓運(yùn)行架構(gòu)下的SiC功率半導(dǎo)體比傳統(tǒng)硅器件的整體系統(tǒng)效率高8%。SiC功率半導(dǎo)體也使得散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，機(jī)電結(jié)構(gòu)的空間更小。對(duì)于快速充電樁和車(chē)載充電，與傳統(tǒng)硅器件相比，SiC功率半導(dǎo)體在充電過(guò)程中減少了所需的電容和電感的數(shù)量，也減少了能量損失。 SiC比硅更輕、更薄、更小巧，市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域偏向1000V以上的中高壓范圍。車(chē)用半導(dǎo)體中，SiC是未來(lái)趨勢(shì)，目前，xEV車(chē)中的主驅(qū)逆變器仍以IGBT+硅FRD為主，考慮到未來(lái)電動(dòng)車(chē)需要更長(zhǎng)的行駛里程、更短的充電時(shí)間和更高的電池容量，SiC基MOSFET將是大勢(shì)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(lái)看，車(chē)用功率半導(dǎo)體器件中，仍以硅基IGBT為主，而SiC基MOSFET代表著未來(lái)，因?yàn)樗阅芨鼜?qiáng)，但目前推廣的最大障礙就是高成本。然而，隨著整車(chē)動(dòng)力電池包越來(lái)越大、電機(jī)最大功率/峰值扭矩越來(lái)越高，SiC基MOSFET的優(yōu)勢(shì)就越顯著。 要想充分發(fā)揮MOSFET的優(yōu)勢(shì)，就需要控制承壓層深度和摻雜濃度等技術(shù)參數(shù)，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(tǒng)的綜合效率（以逆變器效率計(jì)算）約為98%，在應(yīng)用層面，SiC基MOSFET相比于硅基IGBT具有本征優(yōu)勢(shì)。 SiC 應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)的逆變器、OBC、DC/DC時(shí)，更低的阻抗可帶來(lái)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(tǒng)的尺寸，最終帶來(lái)的是系統(tǒng)級(jí)的體積縮小和成本的降低。
車(chē)用SiC器件
SiC用在車(chē)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(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全SiC模塊的封裝尺寸顯著小于硅模塊，同時(shí)也可以使開(kāi)關(guān)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(dá)到更高功率。
特斯拉的Model 3采用了英飛凌和意法半導(dǎo)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(chē)企。而早在2017年12月，羅姆為VENTURI車(chē)隊(duì)在電動(dòng)汽車(chē)全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E”錦標(biāo)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(jīng)開(kāi)始使用IGBT+SiC SBD的混合方案，預(yù)計(jì)全SiC的逆變器將從2023年開(kāi)始在主流豪華車(chē)品牌中量產(chǎn)。 據(jù)羅姆測(cè)算，到2026年，幾乎所有搭載800V動(dòng)力電池的車(chē)型采用SiC方案都將更具成本優(yōu)勢(shì)。 此外，車(chē)載OBC和DC/DC，已經(jīng)開(kāi)始采用SiC器件。全SiC方案也有望從 2021年開(kāi)始量產(chǎn)。 新能源車(chē)的功率控制單元（PCU）是汽車(chē)電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向和傳遞速度，傳統(tǒng)PCU使用硅基材料制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過(guò)硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車(chē)最主要的電能損耗來(lái)源，而使用SiC則可大大降低這一過(guò)程中的能量損失。 將傳統(tǒng)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(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使車(chē)輛更為緊湊。 SiC功率器件也在加速融入車(chē)載充電器領(lǐng)域，已有多家廠商推出了面向HEV/EV等電動(dòng)汽車(chē)充電器的SiC功率器件。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，這一市場(chǎng)在2023年之前可保持44%的增長(zhǎng)速度。
成本控制
目前，制約SiC功率器件大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙依然是成本，受制于上游晶圓產(chǎn)能不足、晶圓缺陷面積較大等原因，目前SiC功率器件的價(jià)格是硅的5-10倍。
成本問(wèn)題主要源于低效的晶體生長(zhǎng)過(guò)程，傳統(tǒng)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(zhuǎn)邊向上提拉形成約2m的硅錠，再進(jìn)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(tài) SiC加熱至2500℃升華后，在溫度稍低的高質(zhì)量SiC籽晶上重新結(jié)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(jīng)量產(chǎn)6英寸晶圓，并同步進(jìn)行8英寸的研發(fā)，計(jì)劃最早于2022年量產(chǎn)8英寸晶圓。單片8英寸晶圓芯片產(chǎn)量可達(dá)到6英寸的1.8倍，但同時(shí)也面臨著缺陷密度變高等難題。
不過(guò)，2022年有望成為SiC價(jià)格下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因?yàn)橹髁骱廊A車(chē)品牌開(kāi)始量產(chǎn)采用SiC方案的車(chē)型，這將大幅提升襯底廠商8英寸線(xiàn)的產(chǎn)能利用率。到2025年，SiC器件價(jià)格有望下降到當(dāng)前水平的1/4-1/3，結(jié)合電池成本的節(jié)省，SiC的性?xún)r(jià)比將顯著提高。
需求大增
新能源汽車(chē)行業(yè)存在續(xù)航和充電的“老大難”亟需解決，為此車(chē)企需要轉(zhuǎn)換效率更高的功率半導(dǎo)體，這成了SiC功率器件市場(chǎng)拓展的重要驅(qū)動(dòng)力。作為第三代半導(dǎo)體材料之一的SiC 具有更寬的禁帶寬度，更高的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)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(dǎo)通電阻和快速開(kāi)關(guān)速度等方面有良好的性能表現(xiàn)，可滿(mǎn)足車(chē)企能源轉(zhuǎn)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(chǎn)品優(yōu)勢(shì)突出。博世汽車(chē)電子中國(guó)區(qū)總裁Georges Andary表示，碳化硅半導(dǎo)體能為電機(jī)帶來(lái)更高的功率，將為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)新的變革。相較于傳統(tǒng)硅基產(chǎn)品，使用碳化硅產(chǎn)品能耗降低50%，功率也有所提升讓汽車(chē)?yán)m(xù)航里程提高6%。
從2019年新能源汽車(chē)銷(xiāo)量來(lái)看，中國(guó)仍占據(jù)著全球新能源汽車(chē)市場(chǎng)的半壁江山，這也是國(guó)際各主要大廠加大第三代半導(dǎo)體SiC布局的重點(diǎn)市場(chǎng)。據(jù)了解，SiC器件市場(chǎng)份額主要集中在海外廠商手上，其中Infineon、ROHM、ST和Cree四家企業(yè)占據(jù)全球近9成市場(chǎng)份額。除了中游Cree、ROHM、Infineon等半導(dǎo)體廠商推出車(chē)規(guī)級(jí)SiC Mosfet產(chǎn)品外，下游以博世等tier 1公司為代表的企業(yè)迅猛推進(jìn)車(chē)用半導(dǎo)體，其第三代半導(dǎo)體正式進(jìn)入汽車(chē)供應(yīng)鏈，與下游企業(yè)合作緊密。行業(yè)內(nèi)人士向集微網(wǎng)表示，“汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)悄壳疤蓟栌昧孔畲蟮募械?，博世憑借全球第一tier 1公司的優(yōu)勢(shì)，在功率半導(dǎo)體器件方面出貨迅猛，現(xiàn)已排到歐洲半導(dǎo)體出貨量第四位?！?/span>
市場(chǎng)格局
從產(chǎn)業(yè)格局看，目前全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國(guó)全球獨(dú)大，占有全球SiC產(chǎn)量的70%-80%；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場(chǎng)擁有強(qiáng)大的話(huà)語(yǔ)權(quán)；日本是設(shè)備和模塊開(kāi)發(fā)方面的絕對(duì)領(lǐng)先者。
在SiC應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)方面，SiC肖特基二極管器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高端電源市場(chǎng)，包括PFC、光伏逆變器和高端家電變頻器。以SiC的龍頭企業(yè)美國(guó)科銳、德國(guó)英飛凌、日本羅姆等半導(dǎo)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)、雙極結(jié)型晶體管 (BJT)、結(jié) 型場(chǎng)效應(yīng)管 (JFET)、絕緣柵雙極型晶體管 (IG—BT)產(chǎn)品。其中日本企業(yè)在SiC應(yīng)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(dòng)汽車(chē)和軌道交通上不斷進(jìn)行應(yīng)用研究，目前已經(jīng)取得了明顯的成就。
日本：目前SiC器件在電動(dòng)汽車(chē)（含混合動(dòng)力汽車(chē)）上應(yīng)用發(fā)展最快的是日本企業(yè)，典型為豐田公司。豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和電裝公司 從1980年就開(kāi)始合作開(kāi)發(fā)SiC半導(dǎo)體材料，2014年5月他們正式發(fā)布了基于SiC半導(dǎo)體器件的零部件——應(yīng)用于新能源汽車(chē)的功率控制單元（PCU）。另外，本田汽車(chē)公司、日產(chǎn)汽車(chē)公司均和羅姆公司 就HEV／EV應(yīng)用SiC半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行了多年的合作研究。本田和羅姆公司共同開(kāi)發(fā)出了使用SiC半導(dǎo)體器件的高功率電源模塊，將轉(zhuǎn)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(guó)：福特汽車(chē)公司2015年底宣布計(jì)劃為電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目投資45億美元。近年福特公司已經(jīng)就SiC／GaN器件在混合動(dòng)力汽車(chē)上的應(yīng)用進(jìn)行了投資研究。另外，特斯拉已在車(chē)型中應(yīng)用SiC功率器件。
另外SiC技術(shù)的著名企業(yè)美國(guó)Cree公司開(kāi)發(fā)了多款適合于新能源汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充電樁整體解決方案。
中國(guó)市場(chǎng)
來(lái)自ev sales的數(shù)據(jù)顯示，2019年全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)量為215萬(wàn)輛，中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)量達(dá)到116萬(wàn)輛，占全球比重達(dá)54%。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年、2023年、2025年，中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)量分別為160萬(wàn)輛、320萬(wàn)輛、480萬(wàn)輛。2020-2022年，只有少部分B級(jí)及以上車(chē)型采用SiC基MOSFET，其他車(chē)型采用硅基IGBT，預(yù)計(jì)2023年是8英寸SiC襯底技術(shù)商業(yè)化初步成熟之年，屆時(shí)，相當(dāng)數(shù)量的B級(jí)及以上車(chē)型將采用SiC基MOSFET，A級(jí)及以下車(chē)型仍使用硅基IGBT。SiC基 MOSFET成本每年降低2%。 據(jù)中信建投證券估計(jì)，到2025年，中國(guó)新能源汽車(chē)用功率器件市場(chǎng)規(guī)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(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)，以及新能源雙積分政策推動(dòng)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)功率半導(dǎo)體將保持旺盛的市場(chǎng)需求。中長(zhǎng)期來(lái)看，SiC基MOSFET發(fā)展?jié)摿薮?，值得期待?/span>
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