IGBT在前，SiC在后，新能源汽車該如何選擇？

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

受惠于電動(dòng)車、5G基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域需求提升，SiC(碳化硅)功率元件正穩(wěn)步滲透到全球市場(chǎng)。據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2018年全球已有超過20家的汽車廠商在OBC中使用了SiC肖特基二極管或SiC MOSFET，未來SiC功率半導(dǎo)體在OBC市場(chǎng)中也有望以CAGR 44%的速度成長(zhǎng)至2023年。

據(jù)了解，除了特斯拉最新的Model 3車型采用SiC MOSFET來提升電驅(qū)系統(tǒng)的工作效率及充電效率外，歐洲的350KW超級(jí)充電站也正在加大SiC器件的采用。而在國(guó)內(nèi)，比亞迪、北汽新能源等車企也在加碼SiC器件在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，主要以汽車充電樁場(chǎng)景應(yīng)用為主。

第三代半導(dǎo)體材料崛起

科技總是不斷進(jìn)步的，半導(dǎo)體材料發(fā)展至今經(jīng)歷了三個(gè)階段：

第一代半導(dǎo)體被稱為“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體。其中，硅基半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用比較廣、技術(shù)比較成熟。截止目前，全球半導(dǎo)體99%以上的半導(dǎo)體芯片和器件都是以硅片為基礎(chǔ)材料生產(chǎn)出來的。

在1950年時(shí)候，半導(dǎo)體材料卻以鍺為主導(dǎo)，主要應(yīng)用于低壓、低頻及中功率晶體管中，但它的缺點(diǎn)也極為明顯，那就是耐高溫和抗輻射性能較差。

到了1960年，0.75寸（20mm）單晶硅片的出現(xiàn)，讓鍺基半導(dǎo)體缺點(diǎn)被無限放大的同時(shí)，硅基半導(dǎo)體也徹底取代了鍺基半導(dǎo)體的市場(chǎng)。

進(jìn)入21世紀(jì)后，通信技術(shù)的飛速發(fā)展，讓GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）等半導(dǎo)體材料成為新的市場(chǎng)需求，這也是第二代半導(dǎo)體材料，被稱為“化合物半導(dǎo)體”。

由于對(duì)于電子器件使用條件的要求增高，要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等環(huán)境，所以第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料迎來了新的發(fā)展。

當(dāng)然，第三代半導(dǎo)體材料也是化合物半導(dǎo)體，主要包括SiC、GaN等，至于為何被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，主要是因?yàn)槠浣麕挾却笥诨蛐∮?.3eV（電子伏特）。

同時(shí)，由于第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、搞電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，因此也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。

新能源汽車帶給SiC的機(jī)遇

雖然同為第三代半導(dǎo)體材料，但由于SiC和GaN的性能不同，所以應(yīng)用的場(chǎng)景也存在差異化。

GaN的市場(chǎng)應(yīng)用偏向高頻小電力領(lǐng)域，集中在1000V以下；而SiC 適用于1200V 以上的高溫大電力領(lǐng)域，兩者的應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了新能源汽車、光伏、機(jī)車牽引、智能電網(wǎng)、節(jié)能家電、通信射頻等大多數(shù)具有廣闊發(fā)展前景的新興應(yīng)用市場(chǎng)。

與GaN 相比，SiC熱導(dǎo)率是GaN 的三倍以上，在高溫應(yīng)用領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì)；同時(shí)SiC單晶的制備技術(shù)相對(duì)更成熟，所以SiC 功率器件的種類遠(yuǎn)多于GaN。

SiC電力電子器件主要包括功率二極管和三極管(晶體管、開關(guān)管)。SiC功率器件可使電力電子系統(tǒng)的功率、溫度、頻率、抗輻射能力、效率和可靠性倍增，帶來體積、重量以及成本的大幅減低。SiC功率器件應(yīng)用領(lǐng)域可以按電壓劃分：

低壓應(yīng)用(600 V至1.2kV)：高端消費(fèi)領(lǐng)域(如游戲控制臺(tái)、等離子和液晶電視等)、商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域(如筆記本電腦、固態(tài)照明、電子鎮(zhèn)流器等)以及其他領(lǐng)域(如醫(yī)療、電信、國(guó)防等)；

中壓應(yīng)用(1.2kV至1.7kV)：電動(dòng)汽車/混合電動(dòng)汽車(EV/HEV)、太陽能光伏逆變器、不間斷電源(UPS)以及工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)(交流驅(qū)動(dòng)AC Drive)等；

高壓應(yīng)用(2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上)：風(fēng)力發(fā)電、機(jī)車牽引、高壓/特高壓輸變電等。

以 SiC 為材料的二極管、MOSFET、IGBT 等器件未來有望在汽車電子領(lǐng)域取代 Si。對(duì)比目前市場(chǎng)主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET，可以發(fā)現(xiàn) SiC MOSFET 產(chǎn)品較Si基產(chǎn)品能夠大幅減少Die Size，且表現(xiàn)性能更好。但是目前最大阻礙仍在于成本，根據(jù) yoledevelopment測(cè)算，單片成本SiC比Si基產(chǎn)品高出 7-8 倍。

SiC近期產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度加速，上游產(chǎn)業(yè)鏈開始擴(kuò)大規(guī)模和鎖定貨源。整理全球SiC制造龍頭Cree公告發(fā)現(xiàn)，近期碳化硅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度開始加速，ST、英飛凌等中游廠商開始鎖定上游。

2018年2月，Cree與英飛凌簽訂了1億美元的長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議，為其光伏逆變器、機(jī)器人、充電基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)電源、牽引和變速驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品提供 SiC 晶圓。

2018年10月，Cree宣布了一項(xiàng)價(jià)值8500萬美元的長(zhǎng)期協(xié)議，將為一家未公布名稱的“領(lǐng)先電力設(shè)備公司”生產(chǎn)和供應(yīng) SiC 晶圓。

2019年1月，Cree與ST簽署一項(xiàng)為期多年的2.5億美元規(guī)模的生產(chǎn)供應(yīng)協(xié)議，Wolfspeed 將會(huì)向ST供應(yīng)150mm SiC晶圓。

據(jù)研究機(jī)構(gòu)IHS預(yù)測(cè)，到2025年SiC功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到30億美元。在未來的10年內(nèi)，SiC 器件將開始大范圍地應(yīng)用于工業(yè)及電動(dòng)汽車領(lǐng)域。該市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素是由于電源供應(yīng)和逆變器應(yīng)用越來越多地使用 SiC 器件。

審核編輯黃昊宇