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來(lái)源：AVNET 前不久，雷諾集團(tuán)和意法半導(dǎo)體宣布，雙方就2026-2030年新能源汽車用SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）產(chǎn)品的供貨，達(dá)成合作協(xié)議。無(wú)獨(dú)有偶，今年早些時(shí)候，德國(guó)緯湃科技（Vitesco Technologies），也獲得了來(lái)自現(xiàn)代汽車數(shù)億歐元的800V SiC逆變器的訂單；江淮汽車與博世也簽署了有關(guān)在SiC逆變器領(lǐng)域開展合作的戰(zhàn)略協(xié)議…… 在SiC領(lǐng)域，其他電動(dòng)汽車頭部公司和造車新勢(shì)力近期的行動(dòng)也同樣引人關(guān)注。如特斯拉就發(fā)布了一款采用SiC逆變器的新車型Model S Plaid；比亞迪在推出首款采用SiC技術(shù)的車型“比亞迪·漢”的同時(shí)，還宣布到2023年將實(shí)現(xiàn)SiC車用功率半導(dǎo)體器件對(duì)硅（Si）基IGBT的全面替代；蔚來(lái)汽車也表示將在2022年交付的新款ET7車型上，采用基于SiC技術(shù)的電驅(qū)系統(tǒng)。 種種跡象表明，未來(lái)幾年內(nèi)，SiC功率器件將在電動(dòng)車領(lǐng)域迎來(lái)一個(gè)市場(chǎng)小高潮，因此大家都在未雨綢繆，提前布局“結(jié)對(duì)子”，讓自家的供應(yīng)鏈更健壯。 為什么用SiC？ 實(shí)際上從電動(dòng)汽車的電驅(qū)逆變器成本來(lái)考慮，如果用SiC功率器件替代成熟的Si基IGBT，單車成本會(huì)增加200至300美元，那么是什么原因讓大家心甘情愿多花錢去采用這個(gè)更“貴”的方案呢？這還得從SiC器件自身的特性說(shuō)起。 在電力電子領(lǐng)域，負(fù)責(zé)開關(guān)控制的功率器件是性能的關(guān)鍵。長(zhǎng)期以來(lái)，Si材料在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但是隨著應(yīng)用中功率密度越來(lái)越大、開關(guān)速度（頻率）越來(lái)越高、功耗要求越來(lái)越苛刻，對(duì)于Si器件性能的“壓榨”也越來(lái)越接近其理論極限，因此人們開始從材料上入手，尋找能夠替代Si的新的半導(dǎo)體材料。于是，SiC和GaN兩種寬禁帶半導(dǎo)體（也被稱為第三代半導(dǎo)體）材料逐漸進(jìn)入了人們的視野，而其中的SiC更是憑借諸多特性，在650V至3.3kV的功率半導(dǎo)體器件方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。 
圖1：不同半導(dǎo)體材料器件的性能和應(yīng)用區(qū)間（圖片來(lái)源：Infineon） 如圖2所示，SiC的禁帶寬度是Si的3倍，絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（臨界場(chǎng)強(qiáng)）是Si的近10倍，熱傳導(dǎo)率是Si的3倍，電子飽和遷移率是Si的2倍……這些特性應(yīng)用在功率器件中則意味著： · 高禁帶寬度：禁帶寬度越大，臨界擊穿電壓越大，更適合高壓大功率應(yīng)用。 · 高飽和電子遷移率：這個(gè)數(shù)值越高，器件的開關(guān)速度越快，使得高壓下的高頻操作所需的驅(qū)動(dòng)功率更小，能量損耗更低。而且高頻電路中允許使用外形更小的外圍器件，也有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。 · 高熱導(dǎo)率：可避免使用額外的冷卻系統(tǒng)，有利于成本和外形尺寸的優(yōu)化。 · 單位面積導(dǎo)通電阻小：可有效減少損耗。
圖2：不同半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵特性對(duì)比（圖片來(lái)源：Infineon） 具體到汽車應(yīng)用中，有分析顯示，在電驅(qū)逆變器方面用SiC器件替代Si基器件，器件層面驅(qū)動(dòng)器能效損耗可降低80%。根據(jù) Cree 的估算，在電動(dòng)汽車逆變器中使用SiC功率器件, 可以讓整車功耗減少5%-10%，綜合考慮下來(lái)，雖然逆變器模組的成本會(huì)增加，但是電池成本、散熱成本，以及空間使用成本會(huì)顯著降低，整車成本可以節(jié)省約2000美元。而且除了逆變器，SiC功率器件還可用于電動(dòng)汽車的車載充電器（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DC/DC）等很多方面，這就難怪大家對(duì)其趨之若鶩了。 特斯拉的成功 其實(shí)對(duì)于SiC器件上述這些性能上的優(yōu)勢(shì)，大家早有認(rèn)識(shí)，但是如果這些探討僅停留在理論層面，而沒有實(shí)際的成功案例，那么在做技術(shù)決策時(shí)，還是難免會(huì)然人心存猶疑。因此，今天能夠讓一眾車企果斷下決心“擁抱”SiC的原因，除了這些年SiC自身的技術(shù)進(jìn)步，特斯拉的示范作用也不容小覷。 在電動(dòng)汽車上采用SiC功率器件，這一點(diǎn)上，特拉斯應(yīng)該是最早“吃螃蟹”的一家全車企。2018年，特斯拉在Model 3的逆變器上采用了意法半導(dǎo)體推出的650V SiC MOSFET，據(jù)稱相比早先推出的采用Si基IGBT的Model X等車型，此舉能為逆變器帶來(lái)5%-8%的效率提升，這對(duì)于提高整車的續(xù)航能力功不可沒。緊接著，2020年推出的Model Y上，特斯拉在動(dòng)力模塊后輪驅(qū)動(dòng)也采用了SiC MOSFET。加上上文提到的Model S Plaid，目前特斯拉采用了SiC技術(shù)的車型已達(dá)3款。其中，憑借SiC MOSFET為電驅(qū)逆變器提供的更佳的耐高壓、高溫、高頻性能，Model S Plaid百公里加速僅需2.1秒，號(hào)稱是目前全球加速最快的量產(chǎn)車型，這樣的“標(biāo)簽”無(wú)疑也成為了SiC最好的背書。 隨著SiC產(chǎn)品和技術(shù)的成熟，其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用拓展不僅體現(xiàn)在滲透范圍的擴(kuò)大，還有應(yīng)用方式上的深化。早期新能源汽車電驅(qū)逆變器中，一般會(huì)采用Si基IGBT和SiC-SBD混用的架構(gòu)，目前則在向純SiC的逆變器進(jìn)化。2017年，Rohm的純SiC功率模塊曾經(jīng)助力VENTURI車隊(duì)打造出了一款新型逆變器，其尺寸縮小了43%，重量減輕6kg，這樣的成功案例使得未來(lái)純SiC逆變器的前景十分令人期待。 缺新潮是否會(huì)出現(xiàn)？ 根據(jù)HIS Markit的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2027年SiC功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元，2018至2027年期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率近40%！其中，新能源汽車市場(chǎng)是一個(gè)最主要的驅(qū)動(dòng)力。 但是需求的增長(zhǎng)，也會(huì)帶來(lái)一個(gè)憂慮，那就是“需求的爆發(fā)是否會(huì)引發(fā)供貨的短缺”，特別是這兩年汽車電子領(lǐng)域備受“缺芯”之苦，心理陰影還未散去，大家對(duì)此的擔(dān)憂也就更進(jìn)了一步。 從目前來(lái)看，制約SiC器件產(chǎn)能快速擴(kuò)張的因素主要包括： · SiC在襯底晶片和外延片這類基礎(chǔ)材料的制備上，還難于與Si比肩，比如襯底晶片大多在4英寸和6英寸（而Si器件主流工藝為8英寸和12英寸）；氣相外延速率低，液相外延產(chǎn)量低……在這些技術(shù)問(wèn)題沒有突破性的解決方案之前，產(chǎn)能注定會(huì)受限。 · 從SiC器件制程工藝中，在電極的制作上如何形成良好的歐姆接觸，仍然是一個(gè)難點(diǎn)。 · 從SiC的產(chǎn)業(yè)鏈布局上，以往關(guān)鍵的工藝技術(shù)都掌握在少數(shù)公司手中，整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模較小，還遠(yuǎn)沒有形成像Si基工藝那種基于標(biāo)準(zhǔn)化的大分工。 上述這些瓶頸，都會(huì)制約產(chǎn)能的快速爬坡和成本的降低。以SiC襯底晶片為例，目前SiC的成本是Si的4至5倍，預(yù)計(jì)未來(lái)3-5年價(jià)格會(huì)逐漸降到Si的2倍左右。在這個(gè)過(guò)程中，短期內(nèi)產(chǎn)能和供貨吃緊，可能是在所難免的。 好在，市場(chǎng)的發(fā)展的良好預(yù)期，已經(jīng)為大家?guī)?lái)了充足的信心，所以可以看到業(yè)界在增加產(chǎn)能方面的投入也在持續(xù)增加，比如意法半導(dǎo)體對(duì)Norstel公司的收購(gòu)，英飛凌對(duì)SiC晶圓切割領(lǐng)域新興公司Siltectra的收購(gòu)等。 未來(lái)大家對(duì)于SiC器件的發(fā)展，應(yīng)該有個(gè)什么樣的合理預(yù)判呢？之前一位業(yè)界人士的觀點(diǎn)比較客觀，在這里我們不妨引用過(guò)來(lái)——IGBT從1990年發(fā)展至今，一共發(fā)展了30年，走過(guò)了7代的技術(shù)，最終成本降到了原先的五分之一；而SiC從一個(gè)新興技術(shù)發(fā)展到通用技術(shù)，這個(gè)過(guò)程同樣會(huì)是十分漫長(zhǎng)的，SIC技術(shù)也同樣需要時(shí)間來(lái)進(jìn)行技術(shù)上的打磨。 所以，對(duì)于SiC，一方面我們要積極地緊跟這個(gè)大趨勢(shì)，另一方面“耐心”也是必須的，把握好這一節(jié)奏，整個(gè)技術(shù)升級(jí)換代才會(huì)更無(wú)縫，更順滑。 |
