汽車電動化驅動SiC市場規模增長

其他|other else|

2022-03-18 02:36:04 7

預計未來幾年SiC市場將充分受益于新能源汽車滲透提升、電動車配套設備建設和5G通訊基站及數據中心建設，其中汽車電動化為驅動SiC市場規模增長的最主要因素。

Yole指出，采用SiC的汽車解決方案能提高系統效率，有效減輕車身重量并使得結構更加緊密，目前在新能源車上主要用于功率控制單元(PCU)、逆變器，及車載充電器等方面。

到2024年，SiC功率半導體市場規模將達到20億美元，2018-2024年復合增長率約為50%，其中汽車成為SiC功率半導體最大的下游應用市場，占比將達到約50%；而根據Researchand Markets預測，全球SiC市場收入將達到30億美元，2017-2023年復合增長率約為27%。

繼去年8月在美國紐交所上市后，7月7日，小鵬汽車第二次IPO，在香港聯交所正式掛牌上市。小鵬汽車開盤價為168港元（約140人民幣），市值一度達到2800億港元（約2332億人民幣）。本次IPO，小鵬汽車募資116億元，將重點用于開發更多產品組合和新技術。據小鵬高管透露，他們正在積極尋找國產供應商，希望在2022年推出SiC車型。

采取SiC器件等一系列電控技術，可提高汽車續航里程。在低負荷情況下，相比IGBT，SiC器件帶來的效率提升可以達到5%以上，在中大扭矩區，SiC器件效率可提升1%-2%，而絕大部分的工況都處于中低速小扭矩區，因此應用SiC器件后，車輛續航會有明顯的效率提升，總續航可以提升20公里以上。

據小鵬汽車動力總成中心IPU硬件*專家陳宏介紹，SiC技術的應用與整車續航里程的提升有著緊密的聯系。相比硅基IGBT，SiC MOSFET具有耐高溫、低功耗及耐高壓等特點。采用SiC技術后，電機逆變器效率能夠提升約4%，整車續航里程將增加約7%。

碳化硅材料特性及優點

碳化硅(SiC)由于其獨特的物理及電子特性, 在一些應用上成為最佳的半導體材料: 短波長光電器件, 高溫, 抗幅射以及高頻大功率器件，其主要特性及與硅(Si)和砷化鎵(GaAs)的對比如下。

寬能級(eV)：

4H-SiC: 3.26
6H-Sic: 3.03
GaAs: 1.43
Si: 1.12

由于碳化硅的寬能級, 以其制成的電子器件可在極高溫下工作，這一特性也使碳化硅可以發射或檢測短波長的光, 用以制作藍色發光二極管或幾乎不受太陽光影響的紫外線探測器。

高擊穿電場(V/cm)：

4H-SiC: 2.2x10e6
6H-SiC: 2.4x10e6
GaAs: 3x10e5
Si: 2.5x10e5

碳化硅可以抵受的電壓或電場八倍于硅或砷化鎵, 特別適用于制造高壓大功率器件如高壓二極管、功率三極管、可控硅以及大功率微波器件. 另外, 此一特性可讓碳化硅器件緊密排列, 有利于提高封裝密度。

高熱傳導率(W/cm?K@RT)：

4H-SiC: 3.0-3.8
6H-SiC: 3.0-3.8
GaAs: 0.5
Si: 1.5

碳化硅是熱的良導體, 導熱特性優于任何其它半導體材料。

事實上, 在室溫條件下, 其熱傳導率高于任何其它金屬，這使得碳化硅器件可在高溫下正常工作。

高飽和電子遷移速度(cm/sec @E 2x105V/cm)：

4H-SiC: 2.0x107
6H-SiC: 2.0x107
GaAs: 1.0x10
Si: 1.0x107

由于這一特性, 碳化硅可制成各種高頻器件(射頻及微波)。

多年來，主流的功率半導體技術一直（現在仍然）是硅基，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

功率MOSFET被認為是最*、最*的器件，用于適配器、電源和其他產品。它們用于高達900伏的應用中。

6378316774024414065928190

▲SiC電源組件在電動汽車中有許多用途

最主要的中端功率半導體器件是IGBT，它結合了MOSFET和雙極晶體管的特性。IGBT用于400伏~10千伏的應用。

問題在于，從5伏到幾百伏，硅MOSFET一直都是一種很好的技術。當電壓達到600伏到900伏時，硅MOSFET很好，但它開始出現能量損失。

功率MOSFET和IGBT正在達到其理論極限，并且存在不必要的能量損失。器件因傳導和開關而產生能量損失。傳導損耗是由器件中的電阻引起的，而開關損耗是在開關狀態期間發生的。

典型混聯型電力驅動系統的電路結構如下圖所示，由儲能電池、雙向DC-DC 變換器、逆變器/變流器、電動機、發電機、控制電路和電感電容組成。

其中，雙向DC-DC變換器將儲能電池的電壓泵升到逆變器所需的高壓直流；逆變器/變流器將直流電壓轉換成驅動電機的三相交流電；發電機與燃油發動機相連。

其較為理想的工作狀態是：啟動和低速時，燃油發動機關閉，電池向電動機供電并驅動汽車行駛；爬坡和加速時，燃油發動機和電動機可同時工作；減速和制動時，電動機和發電機均可進行再生制動，向電池充電，能量得到回收。

實際上，現在的大功率電力電子設備無論是成本、體積，還是功率密度，都不是很適應汽車工業的需求。因為傳統的大功率電力電子設備主要面向一般工業和可再生能源領域，在性能上要求沒有汽車行業這么苛刻。

對于新一代大功率電動汽車，其電力驅動系統需從傳統工業級進入到真正的汽車工業級。

為此，美國能源局制定了2020 年HEV 的發展目標：電力電子設備的功率密度超過14.1kW/kg，體積小于13.4kW/L，效率超過98%，價格低于3.3/kW。

這個發展目標對電力電子器件和拓撲性能、控制策略、系統集成以及封裝都提出了新的要求和挑戰。

SiC 功率半導體器件具有Si基器件無可比擬的電氣性能：

1 ）耐壓高。

臨界擊穿電場高達2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10 倍于Si)。

2）散熱容易。

由于SiC 材料的熱導率較高(3倍于Si)，散熱更容易，器件可工作在更高的環境溫度下。有報導，SiC 肖特基二極管在361℃的工作結溫下正常工作超過1 小時。

SiC 可顯著減小散熱器的體積和成本。理論上，SiC 功率器件可在175℃結溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。

▲采用 Si 和SiC SBDs 的散熱對比

上圖為采用SiC SBDs的小功率EV 車載逆變器散熱片體積和采用傳統Si基半導體器件散熱片體積的對比，可看出，采用SiCSBDs 器件散熱片的體積大大減小。

對于主流的大功率HEV，一般包含兩套水冷系統，一套是引擎冷卻系統，冷卻溫度約105℃，另一套是電力電子設備的冷卻系統，冷卻溫度約為70℃。

如果采用SiC 功率器件，由于其具有3 倍于Si 的導熱能力，可以使器件工作于較高的環境溫度中。

長期以來，HEV 設計者一直希望將兩套水冷系統合二為一，其直接效益是大大降低了HEV 驅動系統的成本。

此外，SiC 功率器件的高導熱性也使風冷在未來的中、大功率電動汽車中成為可能。

3）導通損耗和開關損耗低。

SiC 材料具有兩倍于Si 的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導通電阻(1/100 于Si)，導通損耗低；SiC 材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個數量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，可大大提高實際應用的開關頻率(10 倍于Si)。

4）可以減小功率模塊的體積。

由于器件電流密度高(如Infineon 產品可達700A/cm2)，在相同功率等級下，全SiC 功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著小于Si IGBT 功率模塊。

▲三菱電機 Si 和SiC 功率模塊封裝對比

由于開關損耗的降低，SiC 器件能工作于20kHz 以上開關頻率，將夠顯著減小無源器件的體積和成本。

▲三菱電機 11kW Si 和SiC 逆變器體積對比，其中SiC逆變器的功率密度達到10W/cm3

6378316774180761726183257

▲典型的電動汽車電源架構

隨著電動汽車以及其他系統的增長，碳化硅（SiC）功率半導體市場正在經歷需求的突然激增。

這便是SiC的用武之地?；诘墸℅aN）的功率半導體也正在出現。GaN和SiC都是寬帶隙技術。硅的帶隙為1.1 eV。相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。

SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導體。

許多基于SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用于電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。

6378316774183886723641747

▲碳化硅智能功率模塊

與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統硅基器件的10倍，導熱系數是傳統硅基器件的3倍，非常適合于高壓應用，如電源、太陽能逆變器、火車和風力渦輪機。

另外，SiC還用于制造LED。碳化硅材料各項指標均優于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。技術成熟度最高，應用潛力最大。

碳化硅器件具有更低的導通電阻。

在低擊穿電壓 (約 50V 下）,碳化硅器件的比導通電阻僅有 1.12uΩ,是硅同類器件的約 1/100。

在高擊穿電壓 (約 5kV 下）,比導通電阻提高到 25.9mΩ, 卻是硅同類器件的約 1/300。

更低的導通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導通損耗,從而能獲得更高的整機效率。

商業化的硅肖特基二極管通常耐壓在 300V 以下,而*商業化的碳化硅肖特基二極管的電壓定額就已近達到了600V ; *商業化的碳化硅 MOSFET 電壓定額為 1200V ,而常用的硅 MOSFET大多在 1kV 以下。

▲典型的EV/HEV電路框圖及適用于SiC/GaN的可能性

碳化硅器件的極限工作溫度有望達到 600℃以上, 而硅器件的最大結溫僅為 150℃。

碳化硅器件抗輻射能力較強,在航空等領域應用可以減輕輻射屏蔽設備的重量。

碳化硅器件對電動車充電模塊性能的提升主要體現在三方面：

（1）提高頻率，簡化供電網絡；

（2）降低損耗，減少溫升。

（3）縮小體積，提升效率。

▲混合動力汽車/電動汽車中的英飛凌主逆變器框架圖

(圖片來源：英飛凌)

政策支持VS產業成熟度提升

◆ 全球對第三代半導體均展開*戰略部署

2014年初，美國宣布成立“下一代功率電子技術*制造業創新中心”，期望通過加強第三代半導體技術的研發和產業化，使美國占領下一代功率電子產業。

這個正出現的規模最大、發展最快的新興市場，并為美國創造出一大批高收入就業崗位。

日本建立了“下一代功率半導體封裝技術開發聯盟”由大阪大學牽頭，協同羅姆、三菱電機、松下電器等18家從事SiC和GaN材料、器件以及應用技術開發及產業化的知名企業、大學和研究中心；歐洲啟動了產學研項目“LAST POWER”，由意法半導體公司牽頭，協同來自意大利、德國等六個歐洲*的私營企業、大學和公共研究中心，聯合攻關SiC和GaN的關鍵技術。

◆ 國內政策支持持續加強

我國的“中國制造2025”計劃中明確提出要大力發展第三代半導體產業。2015年5月，中國建立第三代半導體材料及應用聯合創新基地，*占第三代半導體戰略新高地；*科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA），對推動我國第三代半導體材料及器件研發和相關產業發展具有重要意義。

◆ 制約產業發展的主要瓶頸在于成本和可靠性驗證

行業發展的瓶頸目前在于SIC襯底成本高：目前SIC的成本是Si的4-5倍，預計未來3-5年價格會逐漸降為Si的2倍左右，SIC行業的增速取決于SIC產業鏈成熟的速度，目前成本較高，且SIC器件產品參數和質量還未經足夠驗證。

SIC MOS的產品穩定性需要時間驗證：根據英飛凌2020年功率半導體應用大會上專家披露，目前SiC MOSFET真正落地的時間還非常短，在車載領域才剛開始商用（Model 3中率先使用了SIC MOS的功率模塊），一些諸如短路耐受時間等技術指標沒有提供足夠多的驗證，SIC MOS在車載和工控等領域驗證自己的穩定性和壽命等指標需要較長時間。

根據Yole預測，SIC和GaN電力電子器件（注意是GaN在電力電子中的應用，不包括在高頻射頻器件）2023年在整體功率器件滲透率分別為3.75%和1%；驅動因素是新能源汽車新能源發電以及快充。

目前國內外SIC產業鏈日趨成熟，成本持續下降，下游接受度也開始提升，目前整個產業鏈處于行業爆發的前夜。

SiC 器件：10年20倍成長，國內*布局

◆ 應用：新能源車充電樁和光伏等率先采用

SiC具有前述所說的各種優勢，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對理想的材料,所以SiC功率器件在新能源車、充電樁、新能源發電的光伏風電等這些對效率、節能和損耗等指標比較看重的領域，具有明顯的發展前景。

高頻低壓用Si-IGBT,高頻高壓用SiC MOS,電壓功率不大但是高頻則用GaN。當低頻、高壓的情況下用Si的IGBT是最好，如果稍稍高頻但是電壓不是很高，功率不是很高的情況下，用Si的MOSFET是最好。如果既是高頻又是高壓的情況下，用SiC的MOSFET最好。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下用GaN效果最佳。

以新能源車中應用SIC MOS為例，根據Cree提供的測算:將純電動車BEV逆變器中的功率組件改成SIC時,大概可以減少整車功耗5%-10%；這樣可以提升續航能力，或者減少動力電池成本。

同時SIC MOS在快充充電樁等領域也將大有可為?？焖俪潆姌妒菍⑼獠拷涣麟?透過IGBT或者SIC MOS轉變為直流電,然后直接對新能源汽車電池進行充電，對于損耗和其自身占用體積問題也很敏感，因此不考慮成本，SIC MOS比IGBT更有前景和需求，由于目前SIC的成本目前是Si的4-5倍，因此會在高功率規格的快速充電樁首先導入。

在光伏領域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器未來的發展趨勢，因此基于性能更優異的SIC材料的光伏逆變器也將是未來重要的應用趨勢。

SIC肖特基二極管的應用比傳統的肖特基二極管同樣有優勢。碳化硅肖特基二極管相比于傳統的硅快恢復二極管（SiFRD），具有理想的反向恢復特性。

在器件從正向導通向反向阻斷轉換時，幾乎沒有反向恢復電流，反向恢復時間小于20ns，因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。

另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這使得SIC肖特基二極管非常適合并聯實用，增加了系統的安全性和可靠性。

總結來看，SIC肖特基二極管具有的特點如下：

1）幾乎無開關損耗；

2）更高的開關頻率；

3）更高的效率；

4）更高的工作溫度；

5）正的溫度系數，適合于并聯工作；

6）開關特性幾乎與溫度無關。

根據CASA的統計，業內反應SiC SBD實際的批量采購成交價已經降至1元/A以下，耐壓600-650V的產品業內批量采購價約為0.6元/A，而耐壓1200V的產品業內批量采購價約為1元/A。

如上表所示，2019年部分SIC肖特基二極管產品價格實現了20%-35%的降幅，SIC二極管價格的持續降低以及和Si二極管價差的縮小將進一步促進SIC二極管的應用。

◆ 門檻：SIC 器件的壁壘和難點

SIC難度大部分集中在SIC晶片的長晶和襯底制作方面，但是要做成器件，也有一些自身的難點，主要包括：

1、外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低。

2.歐姆接觸的制作：歐姆接觸是器件器件制作中十分重要的工藝之一，要形成好的碳化硅的歐姆接觸在實際中還是有較大難度；

3.配套材料的耐高溫：碳化硅芯片本身是耐高溫的，但與其配套的材料就不見得能夠耐得住600℃以上的溫度。所以整體工作溫度的提高，需要不斷的進行配套材料方面創新。

SIC的優異性能大家認識的較早，之所以最近幾年才有較好的進展主要是因為SIC片和SIC器件兩個方面相比傳統的功率器件均有一些難點，器件生產的高難度高成本加上碳化硅片制造的高難度（后面會提及），兩者互為循環，一定程度上制約了過去幾年SIC應用的推廣速度，隨著產業鏈逐漸成熟，SIC正處于爆發的前夜，拐點漸行漸近。

◆ 空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復合 40%增長

IHS預計未來5-10年SIC器件復合增速40%：根據IHSMarkit數據，2018年碳化硅功率器件市場規模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及光伏風電和充電樁等領域對于效率和功耗要求提升，預計到2027年碳化硅功率器件的市場規模將超過100億美元，18-27年9年的復合增速接近40%。

滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種） SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅動 IGBT 行業空間高成長驅動因素如車載、充電樁、工控、光伏風電以及家電市場，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領域；根據我們之前系列行業報告的大致測算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國22億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風電等的帶動下，預計 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。

SIC MOS器件的滲透率取決于其成本下降和產業鏈成熟的速度，根據英飛凌和國內相關公司調研和產業里的專家的判斷來看，SIC MOS滲透IGBT的拐點可能在2024年附近。

預計2025年全球滲透率25%，則全球有30億美金SIC MOS器件市場，中國按照20%滲透率2025年則有12億美金的SIC MOS空間。

即不考慮SIC SBD和其他SIC功率器件，僅測算替代IGBT那部分的SIC MOS市場預計2025年全球30億美金，相對2019年不到4億美金有超過7倍成長，且2025-2030年增速延續。

免責聲明：本文轉載自“焉知動力驅動系統”，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。

上一篇：: 11個常見的PLL芯片接口問題解答

下一篇：: 有什么區別：整流二極管、齊納二極管、肖特基二極管？

汽車電動化驅動SiC市場規模增長

客服QQ2635709730

客服QQ
2635709730