IGBT在前，SiC在后，新能源汽車如何選擇？

來源：瑞迪微電子

受惠于電動車、5G基礎設施等領域需求提升，SiC(碳化硅)功率元件正穩步滲透到全球市場。據專業機構統計，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功率半導體在OBC市場中也有望以CAGR 44%的速度成長至2023年。

據了解，除了特斯拉最新的Model 3車型采用SiC MOSFET來提升電驅系統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，比亞迪、北汽新能源等車企也在加碼SiC器件在電動汽車領域的應用，主要以汽車充電樁場景應用為主。
第三代半導體材料崛起
科技總是不斷進步的，半導體材料發展至今經歷了三個階段：

第一代半導體被稱為“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體。其中，硅基半導體技術應用比較廣、技術比較成熟。截止目前，全球半導體99%以上的半導體芯片和器件都是以硅片為基礎材料生產出來的。
在1950年時候，半導體材料卻以鍺為主導，主要應用于低壓、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，讓鍺基半導體缺點被無限放大的同時，硅基半導體也徹底取代了鍺基半導體的市場。
進入21世紀后，通信技術的飛速發展，讓GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）等半導體材料成為新的市場需求，這也是第二代半導體材料，被稱為“化合物半導體”。
由于對于電子器件使用條件的要求增高，要適應高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等環境，所以第三代寬禁帶半導體材料迎來了新的發展。
當然，第三代半導體材料也是化合物半導體，主要包括SiC、GaN等，至于為何被稱為寬禁帶半導體材料，主要是因為其禁帶寬度大于或小于2.3eV（電子伏特）。
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同時，由于第三代半導體具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、搞電子密度、高遷移率等特點，因此也被業內譽為固態光源、電力電子、微波射頻器件的“核芯”以及光電子和微電子等產業的“新發動機”。
新能源汽車帶給SiC的機遇
雖然同為第三代半導體材料，但由于SiC和GaN的性能不同，所以應用的場景也存在差異化。

GaN的市場應用偏向高頻小電力領域，集中在1000V以下；而SiC 適用于1200V 以上的高溫大電力領域，兩者的應用領域覆蓋了新能源汽車、光伏、機車牽引、智能電網、節能家電、通信射頻等大多數具有廣闊發展前景的新興應用市場。

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與GaN 相比，SiC熱導率是GaN 的三倍以上，在高溫應用領域更有優勢；同時SiC單晶的制備技術相對更成熟，所以SiC 功率器件的種類遠多于GaN。 

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SiC電力電子器件主要包括功率二極管和三極管(晶體管、開關管)。SiC功率器件可使電力電子系統的功率、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功率器件應用領域可以按電壓劃分：
低壓應用(600 V至1.2kV)：高端消費領域(如游戲控制臺、等離子和液晶電視等)、商業應用領域(如筆記本電腦、固態照明、電子鎮流器等)以及其他領域(如醫療、電信、國防等)；
中壓應用(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)以及工業電機驅動(交流驅動AC Drive)等；
高壓應用(2.5kV、3.3kV、4.5kV和6.5kV以上)：風力發電、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域取代 Si。對比目前市場主流1200V 硅基IGBT 及SiC MOSFET，可以發現 SiC MOSFET 產品較Si基產品能夠大幅減少Die Size，且表現性能更好。但是目前最大阻礙仍在于成本，根據 yoledevelopment測算，單片成本SiC比Si基產品高出 7-8 倍。
圖片來源：ROHM
SiC近期產業化進度加速，上游產業鏈開始擴大規模和鎖定貨源。整理全球SiC制造龍頭Cree公告發現，近期碳化硅產業化進度開始加速，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協議，為其光伏逆變器、機器人、充電基礎設施、工業電源、牽引和變速驅動器等產品提供 SiC 晶圓。
2018年10月，Cree宣布了一項價值8500萬美元的長期協議，將為一家未公布名稱的“領先電力設備公司”生產和供應 SiC 晶圓。
2019年1月，Cree與ST簽署一項為期多年的2.5億美元規模的生產供應協議，Wolfspeed 將會向ST供應150mm SiC晶圓。
據研究機構IHS預測，到2025年SiC功率半導體的市場規模有望達到30億美元。在未來的10年內，SiC 器件將開始大范圍地應用于工業及電動汽車領域。該市場增長的主要驅動因素是由于電源供應和逆變器應用越來越多地使用 SiC 器件。
數據來源：YoleDevelopment、國盛證券研究所
SiC會取代IGBT嗎？
我們知道，車用功率模塊(當前的主流是IGBT)決定了車用電驅動系統的關鍵性能，同時占電機逆變器成本的40%以上，是核心部件。

目前，IGBT約占電機驅動器成本的三分之一，而電機驅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，讓業內人士抓住了新的機會。甚至有業者認為，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?
編者整理部分業者的看法，總結了以下三點：
1、SiC器件的工作結溫在200℃以上，工作頻率在100kHz以上，耐壓可達20kV，這些性能都優于傳統硅器件；
2、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%；
3、SiC器件還可以提升系統的效率，進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的優勢可見一斑。
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。
當然，SiC的未來前景還是可以期待的，畢竟它的整體性能遠超IGBT太多，如果大規模用于新能源汽車后，將會極大程度提升其充電效率、續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，目前的市場狀態是，SiC會逐漸取代IGBT在新能源汽車領域的部分市場，這種趨勢還會隨著SiC規模化量產逐漸加大。
SiC大規模商用面臨哪些難點？ 
從產業鏈角度看，碳化硅包括單晶襯底、外延片、器件設計、器件制造等環節，但目前全球碳化硅市場基本被在國外企業所壟斷。

在全球市場中，單晶襯底企業主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，外延片企業主要有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、意法半導體等少數企業瓜分。
由于碳化硅產業環節如芯片性能與材料、結構設計、制造工藝之間的關聯性較強，不少企業仍選擇采用IDM模式，如羅姆和Cree均覆蓋了碳化硅襯底、外延片、器件、模組全產業鏈環節，其中Cree占據襯底市場約40%份額、器件市場約23%份額。
事實上，目前整個碳化硅產業尚未進入成熟期，但國際廠商已實現多個環節規模量產技術瓶頸的突破，并已摩拳擦掌、即將掀起一場大戰，而國內碳化硅產業仍處于起步階段，與國際水平仍存在差距。
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主要包括：
1、成品率低，成本高。SiC在效能上較IGBT優良，但制造成本偏高，由于SiC在磊晶制作上有材料應力上的不一致性，造成晶圓尺寸放大時，會有磊晶層接合面應力拉伸極限的問題，導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勢。
2、SiC MOSFET缺少長期可靠性數據，這一點還需要不斷實驗與改進。
很明顯的體現就是，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關斷，而IGBT可以實現ZVS(零電壓開關)，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和硅混合開關模塊會有很大的市場應用前景，而純SiC芯片及器件要想在汽車功率系統當中普及，還需要時間。
寫在最后 
整體而言，由于制造成本與產能等因素，初期SiC功率元件在新能源汽車市場的滲透率不高。但隨著技術的不斷提升，預估2023年前后市場會有顯著成長，對IDM大廠而言，持續拓展產品線多元化應用、降低制造成本并提升產能，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。國內企業需通過自主創新突破技術壁壘，掌握自主的核心技術，在實現國產化的基礎上，借助發展新能源汽車的東風將國產SiC推向世界。

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