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來源：AVNET 前不久，雷諾集團和意法半導體宣布，雙方就2026-2030年新能源汽車用SiC（碳化硅）和GaN（氮化鎵）產品的供貨，達成合作協議。無獨有偶，今年早些時候，德國緯湃科技（Vitesco Technologies），也獲得了來自現代汽車數億歐元的800V SiC逆變器的訂單；江淮汽車與博世也簽署了有關在SiC逆變器領域開展合作的戰略協議…… 在SiC領域，其他電動汽車頭部公司和造車新勢力近期的行動也同樣引人關注。如特斯拉就發布了一款采用SiC逆變器的新車型Model S Plaid；比亞迪在推出首款采用SiC技術的車型“比亞迪·漢”的同時，還宣布到2023年將實現SiC車用功率半導體器件對硅（Si）基IGBT的全面替代；蔚來汽車也表示將在2022年交付的新款ET7車型上，采用基于SiC技術的電驅系統。 種種跡象表明，未來幾年內，SiC功率器件將在電動車領域迎來一個市場小高潮，因此大家都在未雨綢繆，提前布局“結對子”，讓自家的供應鏈更健壯。 為什么用SiC？ 實際上從電動汽車的電驅逆變器成本來考慮，如果用SiC功率器件替代成熟的Si基IGBT，單車成本會增加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更“貴”的方案呢？這還得從SiC器件自身的特性說起。 在電力電子領域，負責開關控制的功率器件是性能的關鍵。長期以來，Si材料在這個領域占據主導地位，但是隨著應用中功率密度越來越大、開關速度（頻率）越來越高、功耗要求越來越苛刻，對于Si器件性能的“壓榨”也越來越接近其理論極限，因此人們開始從材料上入手，尋找能夠替代Si的新的半導體材料。于是，SiC和GaN兩種寬禁帶半導體（也被稱為第三代半導體）材料逐漸進入了人們的視野，而其中的SiC更是憑借諸多特性，在650V至3.3kV的功率半導體器件方面具有無可比擬的優勢。 
圖1：不同半導體材料器件的性能和應用區間（圖片來源：Infineon） 如圖2所示，SiC的禁帶寬度是Si的3倍，絕緣擊穿場強（臨界場強）是Si的近10倍，熱傳導率是Si的3倍，電子飽和遷移率是Si的2倍……這些特性應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用。 · 高飽和電子遷移率：這個數值越高，器件的開關速度越快，使得高壓下的高頻操作所需的驅動功率更小，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，也有助于實現系統的小型化。 · 高熱導率：可避免使用額外的冷卻系統，有利于成本和外形尺寸的優化。 · 單位面積導通電阻小：可有效減少損耗。
圖2：不同半導體材料的關鍵特性對比（圖片來源：Infineon） 具體到汽車應用中，有分析顯示，在電驅逆變器方面用SiC器件替代Si基器件，器件層面驅動器能效損耗可降低80%。根據 Cree 的估算，在電動汽車逆變器中使用SiC功率器件, 可以讓整車功耗減少5%-10%，綜合考慮下來，雖然逆變器模組的成本會增加，但是電池成本、散熱成本，以及空間使用成本會顯著降低，整車成本可以節省約2000美元。而且除了逆變器，SiC功率器件還可用于電動汽車的車載充電器（OBC）、電源轉換系統（DC/DC）等很多方面，這就難怪大家對其趨之若鶩了。 特斯拉的成功 其實對于SiC器件上述這些性能上的優勢，大家早有認識，但是如果這些探討僅停留在理論層面，而沒有實際的成功案例，那么在做技術決策時，還是難免會然人心存猶疑。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自身的技術進步，特斯拉的示范作用也不容小覷。 在電動汽車上采用SiC功率器件，這一點上，特拉斯應該是最早“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體推出的650V SiC MOSFET，據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5%-8%的效率提升，這對于提高整車的續航能力功不可沒。緊接著，2020年推出的Model Y上，特斯拉在動力模塊后輪驅動也采用了SiC MOSFET。加上上文提到的Model S Plaid，目前特斯拉采用了SiC技術的車型已達3款。其中，憑借SiC MOSFET為電驅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，號稱是目前全球加速最快的量產車型，這樣的“標簽”無疑也成為了SiC最好的背書。 隨著SiC產品和技術的成熟，其在電動汽車領域的應用拓展不僅體現在滲透范圍的擴大，還有應用方式上的深化。早期新能源汽車電驅逆變器中，一般會采用Si基IGBT和SiC-SBD混用的架構，目前則在向純SiC的逆變器進化。2017年，Rohm的純SiC功率模塊曾經助力VENTURI車隊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純SiC逆變器的前景十分令人期待。 缺新潮是否會出現？ 根據HIS Markit的預測，預計到2027年SiC功率器件的市場規模將超過100億美元，2018至2027年期間的年復合增長率近40%！其中，新能源汽車市場是一個最主要的驅動力。 但是需求的增長，也會帶來一個憂慮，那就是“需求的爆發是否會引發供貨的短缺”，特別是這兩年汽車電子領域備受“缺芯”之苦，心理陰影還未散去，大家對此的擔憂也就更進了一步。 從目前來看，制約SiC器件產能快速擴張的因素主要包括： · SiC在襯底晶片和外延片這類基礎材料的制備上，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，液相外延產量低……在這些技術問題沒有突破性的解決方案之前，產能注定會受限。 · 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，仍然是一個難點。 · 從SiC的產業鏈布局上，以往關鍵的工藝技術都掌握在少數公司手中，整個市場規模較小，還遠沒有形成像Si基工藝那種基于標準化的大分工。 上述這些瓶頸，都會制約產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，預計未來3-5年價格會逐漸降到Si的2倍左右。在這個過程中，短期內產能和供貨吃緊，可能是在所難免的。 好在，市場的發展的良好預期，已經為大家帶來了充足的信心，所以可以看到業界在增加產能方面的投入也在持續增加，比如意法半導體對Norstel公司的收購，英飛凌對SiC晶圓切割領域新興公司Siltectra的收購等。 未來大家對于SiC器件的發展，應該有個什么樣的合理預判呢？之前一位業界人士的觀點比較客觀，在這里我們不妨引用過來——IGBT從1990年發展至今，一共發展了30年，走過了7代的技術，最終成本降到了原先的五分之一；而SiC從一個新興技術發展到通用技術，這個過程同樣會是十分漫長的，SIC技術也同樣需要時間來進行技術上的打磨。 所以，對于SiC，一方面我們要積極地緊跟這個大趨勢，另一方面“耐心”也是必須的，把握好這一節奏，整個技術升級換代才會更無縫，更順滑。 |
