IGBT在前，SiC在后
，新能源汽車如何選擇
？

瑞迪瑞迪 2020-11-16 249 26538

受惠于電動車
、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
。據(jù)專業(yè)機構(gòu)統(tǒng)計
，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市場中也有望以CAGR 44%的速度成長至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超級充電站也正在加大SiC器件的采用

。而在國內(nèi)

，比亞迪、北汽新能源等車企也在加碼SiC器件在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

，主要以汽車充電樁場景應(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)體缺點被無限放大的同時，硅基半導(dǎo)體也徹底取代了鍺基半導(dǎo)體的市場

。

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，主要是因為其禁帶寬度大于或小于2.3eV（電子伏特）

。

未命名圖片.jpg

圖片來源：網(wǎng)站

同時

，由于第三代半導(dǎo)體具有高擊穿電場、高飽和電子速度

、高熱導(dǎo)率

、搞電子密度

、高遷移率等特點，因此也被業(yè)內(nèi)譽為固態(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)動機”。

新能源汽車帶給SiC的機遇

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)用的場景也存在差異化。

GaN的市場應(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

。

未命名圖片.jpg

圖片來源：ROHM

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

；同時SiC單晶的制備技術(shù)相對更成熟

，所以SiC 功率器件的種類遠(yuǎn)多于GaN。

未命名圖片.jpg

圖片來源：英飛凌

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)：高端消費領(lǐng)域(如游戲控制臺

、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、國防等)

；

中壓應(yīng)用(1.2kV至1.7kV)：電動汽車/混合電動汽車(EV/HEV)

、太陽能光伏逆變器

、不間斷電源(UPS)以及工業(yè)電機驅(qū)動(交流驅(qū)動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

。對比目前市場主流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測算

，單片成本SiC比Si基產(chǎn)品高出 7-8 倍

。

未命名圖片.jpg

圖片來源：ROHM

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1億美元的長期供應(yīng)協(xié)議

，為其光伏逆變器

、機器人、充電基礎(chǔ)設(shè)施

、工業(yè)電源

、牽引和變速驅(qū)動器等產(chǎn)品提供 SiC 晶圓。

2018年10月

，Cree宣布了一項價值8500萬美元的長期協(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 將會向ST供應(yīng)150mm SiC晶圓。

據(jù)研究機構(gòu)IHS預(yù)測

，到2025年SiC功率半導(dǎo)體的市場規(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)及電動汽車領(lǐng)域

。該市場增長的主要驅(qū)動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

。

未命名圖片.jpg

數(shù)據(jù)來源：YoleDevelopment

、國盛證券研究所

SiC會取代IGBT嗎？

我們知道

，車用功率模塊(當(dāng)前的主流是IGBT)決定了車用電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵性能

，同時占電機逆變器成本的40%以上，是核心部件

。

目前

，IGBT約占電機驅(qū)動器成本的三分之一，而電機驅(qū)動器約占整車成本的15~20%

，也就是說

，IGBT占整車成本的5~7%。2018年

，中國新能源汽車銷量按125萬輛計算的話

，平均每輛車大約消耗450美元的IGBT，所有車共需消耗約5.6億美元的IGBT

。

但SiC的出現(xiàn)

，讓業(yè)內(nèi)人士抓住了新的機會。甚至有業(yè)者認(rèn)為

，未來

，SiC將會徹底取代IGBT。那么

，那么

，市場為什么會如此青睞SiC呢?

編者整理部分業(yè)者的看法，總結(jié)了以下三點：

、SiC器件的工作結(jié)溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上

，耐壓可達(dá)20kV

，這些性能都優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件；

、SiC器件體積可減小到IGBT整機的1/3-1/5

，重量可減小到40-60%；

、SiC器件還可以提升系統(tǒng)的效率

，進(jìn)一步提高性價比和可靠性。

在電動車的不同工況下

，SiC器件與IGBT的性能對比情況如下圖所示

，不同工況下，SiC的功耗降低了60-80%

，效率提升了1-3%

，SiC的優(yōu)勢可見一斑

。

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圖片來源：PSIC 2019論壇

整體來看，SiC想要取代IGBT

，還需要解決良率

、成本及可靠性等多方面難題。換句話說

，如果SiC的性價比比不上IGBT

，那么想要取而代之，可能性很小

。

當(dāng)然

，SiC的未來前景還是可以期待的，畢竟它的整體性能遠(yuǎn)超IGBT太多

，如果大規(guī)模用于新能源汽車后

，將會極大程度提升其充電效率、續(xù)航里程及減輕整車重量（最明顯的例子便是特斯拉Model3）

。至于取代IGBT只不過是時間問題

，目前的市場狀態(tài)是，SiC會逐漸取代IGBT在新能源汽車領(lǐng)域的部分市場

，這種趨勢還會隨著SiC規(guī)?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">；慨a(chǎn)逐漸加大。

SiC大規(guī)模商用面臨哪些難點

？

從產(chǎn)業(yè)鏈角度看

，碳化硅包括單晶襯底、外延片

、器件設(shè)計

、器件制造等環(huán)節(jié)，但目前全球碳化硅市場基本被在國外企業(yè)所壟斷

。

在全球市場中

，單晶襯底企業(yè)主要有Cree、DowCorning

、SiCrystal

、II-VI、新日鐵住金

、Norstel等

，外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI

、Norstel

、Cree、羅姆

、三菱電機

、Infineon等

，器件方面，全球大部分市場份額被Infineon

、Cree

、羅姆、意法半導(dǎo)體等少數(shù)企業(yè)瓜分

。

由于碳化硅產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)如芯片性能與材料

、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝之間的關(guān)聯(lián)性較強

，不少企業(yè)仍選擇采用IDM模式

，如羅姆和Cree均覆蓋了碳化硅襯底、外延片

、器件

、模組全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，其中Cree占據(jù)襯底市場約40%份額

、器件市場約23%份額

。

事實上，目前整個碳化硅產(chǎn)業(yè)尚未進(jìn)入成熟期

，但國際廠商已實現(xiàn)多個環(huán)節(jié)規(guī)模量產(chǎn)技術(shù)瓶頸的突破

，并已摩拳擦掌、即將掀起一場大戰(zhàn)

，而國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段

，與國際水平仍存在差距。

未命名圖片.jpg

圖片來源：YoleDevelopment

、國盛證券研究所

就目前來看

，SiC芯片目前面臨的挑戰(zhàn)主要包括：

1、成品率低

，成本高

。SiC在效能上較IGBT優(yōu)良，但制造成本偏高

，由于SiC在磊晶制作上有材料應(yīng)力上的不一致性，造成晶圓尺寸放大時

，會有磊晶層接合面應(yīng)力拉伸極限的問題

，導(dǎo)致晶格損壞影響良率，故晶圓尺寸主流仍維持4寸或6寸

，無法取得大尺寸晶圓成本優(yōu)勢

。

2、SiC MOSFET缺少長期可靠性數(shù)據(jù)

，這一點還需要不斷實驗與改進(jìn)

。

很明顯的體現(xiàn)就是

，SiC芯片載流能力低，而成本過高

，同等級別的SiC MOSFET芯片

，其成本是硅基IGBT的8-12倍。功耗方面

，SiC MOSFET先于硅基IGBT開通

，后于IGBT關(guān)斷，而IGBT可以實現(xiàn)ZVS(零電壓開關(guān))

，可大幅降低損耗

。

總體來看，硅基IGBT的電氣特性接近SiC MOSFET芯片的90%

，而成本則是SiC MOSFET的25%

，由于硅便宜又好用，因此

，SiC和硅混合開關(guān)模塊會有很大的市場應(yīng)用前景

，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統(tǒng)當(dāng)中普及，還需要時間

。

寫在最后

整體而言

，由于制造成本與產(chǎn)能等因素，初期SiC功率元件在新能源汽車市場的滲透率不高

。但隨著技術(shù)的不斷提升

，預(yù)估2023年前后市場會有顯著成長，對IDM大廠而言

，持續(xù)拓展產(chǎn)品線多元化應(yīng)用

、降低制造成本并提升產(chǎn)能，將是拓展市場的重點

。

在新能源汽車強勢需求的推動下

，提前布局SiC已成為大勢所趨。國內(nèi)企業(yè)需通過自主創(chuàng)新突破技術(shù)壁壘

，掌握自主的核心技術(shù)

，在實現(xiàn)國產(chǎn)化的基礎(chǔ)上，借助發(fā)展新能源汽車的東風(fēng)將國產(chǎn)SiC推向世界

。

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