IGBT在前，SiC在后，新能源汽车如何选择？

来源：瑞迪微电子

受惠于电动车、5G基础设施等领域需求提升，SiC(碳化硅)功率元件正稳步渗透到全球市场。据专业机构统计，2018年全球已有超过20家的汽车厂商在OBC中使用了SiC肖特基二极管或SiC MOSFET，未来SiC功率半导体在OBC市场中也有望以CAGR 44%的速度成长至2023年。

据了解，除了特斯拉最新的Model 3车型采用SiC MOSFET来提升电驱系统的工作效率及充电效率外，欧洲的350KW超级充电站也正在加大SiC器件的采用。而在国内，比亚迪、北汽新能源等车企也在加码SiC器件在电动汽车领域的应用，主要以汽车充电桩场景应用为主。

第三代半导体材料崛起

科技总是不断进步的，半导体材料发展至今经历了三个阶段：

第一代半导体被称为“元素半导体”，典型如硅基和锗基半导体。其中，硅基半导体技术应用比较广、技术比较成熟。截止目前，全球半导体99%以上的半导体芯片和器件都是以硅片为基础材料生产出来的。

在1950年时候，半导体材料却以锗为主导，主要应用于低压、低频及中功率晶体管中，但它的缺点也极为明显，那就是耐高温和抗辐射性能较差。

到了1960年，0.75寸（20mm）单晶硅片的出现，让锗基半导体缺点被无限放大的同时，硅基半导体也彻底取代了锗基半导体的市场。

进入21世纪后，通信技术的飞速发展，让GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）等半导体材料成为新的市场需求，这也是第二代半导体材料，被称为“化合物半导体”。

由于对于电子器件使用条件的要求增高，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐射等环境，所以第三代宽禁带半导体材料迎来了新的发展。

当然，第三代半导体材料也是化合物半导体，主要包括SiC、GaN等，至于为何被称为宽禁带半导体材料，主要是因为其禁带宽度大于或小于2.3eV（电子伏特）。

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同时，由于第三代半导体具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、搞电子密度、高迁移率等特点，因此也被业内誉为固态光源、电力电子、微波射频器件的“核芯”以及光电子和微电子等产业的“新发动机”。

新能源汽车带给SiC的机遇

虽然同为第三代半导体材料，但由于SiC和GaN的性能不同，所以应用的场景也存在差异化。

GaN的市场应用偏向高频小电力领域，集中在1000V以下；而SiC 适用于1200V 以上的高温大电力领域，两者的应用领域覆盖了新能源汽车、光伏、机车牵引、智能电网、节能家电、通信射频等大多数具有广阔发展前景的新兴应用市场。

 图片来源：ROHM

与GaN 相比，SiC热导率是GaN 的三倍以上，在高温应用领域更有优势；同时SiC单晶的制备技术相对更成熟，所以SiC 功率器件的种类远多于GaN。 

图片来源：英飞凌

SiC电力电子器件主要包括功率二极管和三极管(晶体管、开关管)。SiC功率器件可使电力电子系统的功率、温度、频率、抗辐射能力、效率和可靠性倍增，带来体积、重量以及成本的大幅减低。SiC功率器件应用领域可以按电压划分：

低压应用(600 V至1.2kV)：高端消费领域(如游戏控制台、等离子和液晶电视等)、商业应用领域(如笔记本电脑、固态照明、电子镇流器等)以及其他领域(如医疗、电信、国防等)；

中压应用(1.2kV至1.7kV)：电动汽车/混合电动汽车(EV/HEV)、太阳能光伏逆变器、不间断电源(UPS)以及工业电机驱动(交流驱动AC Drive)等；

高压应用(2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上)：风力发电、机车牵引、高压/特高压输变电等。

以 SiC 为材料的二极管、MOSFET、IGBT 等器件未来有望在汽车电子领域取代 Si。对比目前市场主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET，可以发现 SiC MOSFET 产品较Si基产品能够大幅减少Die Size，且表现性能更好。但是目前最大阻碍仍在于成本，根据 yoledevelopment测算，单片成本SiC比Si基产品高出 7-8 倍。

图片来源：ROHM

SiC近期产业化进度加速，上游产业链开始扩大规模和锁定货源。整理全球SiC制造龙头Cree公告发现，近期碳化硅产业化进度开始加速，ST、英飞凌等中游厂商开始锁定上游。

2018年2月，Cree与英飞凌签订了1亿美元的长期供应协议，为其光伏逆变器、机器人、充电基础设施、工业电源、牵引和变速驱动器等产品提供 SiC 晶圆。

2018年10月，Cree宣布了一项价值8500万美元的长期协议，将为一家未公布名称的“领先电力设备公司”生产和供应 SiC 晶圆。

2019年1月，Cree与ST签署一项为期多年的2.5亿美元规模的生产供应协议，Wolfspeed 将会向ST供应150mm SiC晶圆。

据研究机构IHS预测，到2025年SiC功率半导体的市场规模有望达到30亿美元。在未来的10年内，SiC 器件将开始大范围地应用于工业及电动汽车领域。该市场增长的主要驱动因素是由于电源供应和逆变器应用越来越多地使用 SiC 器件。

数据来源：YoleDevelopment、国盛证券研究所

SiC会取代IGBT吗？

我们知道，车用功率模块(当前的主流是IGBT)决定了车用电驱动系统的关键性能，同时占电机逆变器成本的40%以上，是核心部件。

目前，IGBT约占电机驱动器成本的三分之一，而电机驱动器约占整车成本的15~20%，也就是说，IGBT占整车成本的5~7%。2018年，中国新能源汽车销量按125万辆计算的话，平均每辆车大约消耗450美元的IGBT，所有车共需消耗约5.6亿美元的IGBT。

但SiC的出现，让业内人士抓住了新的机会。甚至有业者认为，未来，SiC将会彻底取代IGBT。那么，那么，市场为什么会如此青睐SiC呢?

编者整理部分业者的看法，总结了以下三点：

1、SiC器件的工作结温在200℃以上，工作频率在100kHz以上，耐压可达20kV，这些性能都优于传统硅器件；

2、SiC器件体积可减小到IGBT整机的1/3-1/5，重量可减小到40-60%；

3、SiC器件还可以提升系统的效率，进一步提高性价比和可靠性。

在电动车的不同工况下，SiC器件与IGBT的性能对比情况如下图所示，不同工况下，SiC的功耗降低了60-80%，效率提升了1-3%，SiC的优势可见一斑。

图片来源：PSIC 2019论坛

整体来看，SiC想要取代IGBT，还需要解决良率、成本及可靠性等多方面难题。换句话说，如果SiC的性价比比不上IGBT，那么想要取而代之，可能性很小。

当然，SiC的未来前景还是可以期待的，毕竟它的整体性能远超IGBT太多，如果大规模用于新能源汽车后，将会极大程度提升其充电效率、续航里程及减轻整车重量（最明显的例子便是特斯拉Model3）。至于取代IGBT只不过是时间问题，目前的市场状态是，SiC会逐渐取代IGBT在新能源汽车领域的部分市场，这种趋势还会随着SiC规模化量产逐渐加大。

SiC大规模商用面临哪些难点？ 

从产业链角度看，碳化硅包括单晶衬底、外延片、器件设计、器件制造等环节，但目前全球碳化硅市场基本被在国外企业所垄断。

在全球市场中，单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等，外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、罗姆、三菱电机、Infineon等，器件方面，全球大部分市场份额被Infineon、Cree、罗姆、意法半导体等少数企业瓜分。

由于碳化硅产业环节如芯片性能与材料、结构设计、制造工艺之间的关联性较强，不少企业仍选择采用IDM模式，如罗姆和Cree均覆盖了碳化硅衬底、外延片、器件、模组全产业链环节，其中Cree占据衬底市场约40%份额、器件市场约23%份额。

事实上，目前整个碳化硅产业尚未进入成熟期，但国际厂商已实现多个环节规模量产技术瓶颈的突破，并已摩拳擦掌、即将掀起一场大战，而国内碳化硅产业仍处于起步阶段，与国际水平仍存在差距。

图片来源：YoleDevelopment、国盛证券研究所

就目前来看，SiC芯片目前面临的挑战主要包括：

1、成品率低，成本高。SiC在效能上较IGBT优良，但制造成本偏高，由于SiC在磊晶制作上有材料应力上的不一致性，造成晶圆尺寸放大时，会有磊晶层接合面应力拉伸极限的问题，导致晶格损坏影响良率，故晶圆尺寸主流仍维持4寸或6寸，无法取得大尺寸晶圆成本优势。

2、SiC MOSFET缺少长期可靠性数据，这一点还需要不断实验与改进。

很明显的体现就是，SiC芯片载流能力低，而成本过高，同等级别的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开通，后于IGBT关断，而IGBT可以实现ZVS(零电压开关)，可大幅降低损耗。

总体来看，硅基IGBT的电气特性接近SiC MOSFET芯片的90%，而成本则是SiC MOSFET的25%，由于硅便宜又好用，因此，SiC和硅混合开关模块会有很大的市场应用前景，而纯SiC芯片及器件要想在汽车功率系统当中普及，还需要时间。

写在最后 

整体而言，由于制造成本与产能等因素，初期SiC功率元件在新能源汽车市场的渗透率不高。但随着技术的不断提升，预估2023年前后市场会有显著成长，对IDM大厂而言，持续拓展产品线多元化应用、降低制造成本并提升产能，将是拓展市场的重点。

在新能源汽车强势需求的推动下，提前布局SiC已成为大势所趋。国内企业需通过自主创新突破技术壁垒，掌握自主的核心技术，在实现国产化的基础上，借助发展新能源汽车的东风将国产SiC推向世界。

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