各種汽車芯片越來越多地采用碳化硅 (SiC) 技術，大多數(shù)芯片制造商現(xiàn)在認為這是一個相對安全的賭注，爭先恐后地將這種寬帶隙技術推向主流。碳化硅在許多汽車應用中有著廣闊的前景，尤其是電動汽車。與硅相比，它可以延長每次充電的行駛里程，減少電池充電時間，可以通過更低的電池容量和更輕的重量提供相同的續(xù)航里程，為整體效率做出貢獻。現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是降低制造這些器件的成本，這就是 SiC 晶圓廠從 6 英寸（150 毫米）晶圓遷移到 8 英寸（200 毫米）晶圓的原因。“這些引人注目的好處正在導致電動汽車中大量采用 SiC，由于規(guī)模經(jīng)濟，這降低了 SiC 制造成本?！庇擅绹茉床砍闪⒌?PowerAmerica 美國制造研究所的執(zhí)行董事兼首席技術官 Victor Veliadis 表示， “這是 SiC 制造商關注的主要規(guī)模應用，它正在推動他們的制造擴張。這也是許多新人進入 SiC 領域的原因，也是我們看到電動汽車Design-win的激烈競爭的原因?！?/section>據(jù)管理 PowerAmerica 的北卡羅來納州立大學電氣工程教授 Veliadis 稱，碳化硅正進入多個電動汽車系統(tǒng)中，包括牽引逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器。“高壓碳化硅功率器件也是實現(xiàn)快速充電基礎設施的關鍵，這將消除電動汽車消費者廣泛接受的最后一個主要障礙。”他說，“碳化硅在高電壓下非常高效，可實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車加油時間相仿的充電時間。”加入半導體行業(yè)群，請加VX：tuoke08Yole Développement 化合物半導體和新興基板團隊首席分析師 Ezgi Dogmus 指出，繼特斯拉于 2017 年在其主逆變器中采用 SiC 之后，汽車已成為 SiC 的殺手級應用。“從那時起，我們見證了幾乎所有汽車制造商和一級供應商對 SiC 的興趣。比亞迪、豐田和現(xiàn)代已經(jīng)為他們的電動汽車車型選擇了碳化硅，預計奧迪、通用、蔚來和大眾也將效仿?！盌ogmus 說，“隨著 SiC 解決方案的Design-Win顯著增加，我們預測 2020 年至 2026 年期間的前景一片光明。事實上，汽車市場無疑是最重要的驅(qū)動因素，因此，到 2026 年，汽車市場將占據(jù) SiC 器件總市場份額的 60% 以上。”除了電動汽車應用外，Dogmus 還看到了在充電基礎設施中采用 SiC 的趨勢，它可以提高效率并減小系統(tǒng)尺寸。此外，預計 2019 年至 2026 年間，碳化硅在軌道、電機驅(qū)動和光伏等應用中將以兩位數(shù)的年復合增長率增長。
與標準硅產(chǎn)品以及氮化鎵 (GaN) 等其他寬帶隙半導體相比，碳化硅在電力電子領域具有顯著優(yōu)勢。Dogmus 說：“硅 MOSFET 經(jīng)歷了漸進式增長和數(shù)十年的改進，已經(jīng)接近其理論邊界。從歷史上看，這些 MOSFET 產(chǎn)品已足以滿足其目標應用的需求。與此同時，碳化硅和氮化鎵等創(chuàng)新寬禁帶材料表現(xiàn)出的性能特性超過了硅基器件?！盌ogmus 說?！皯{借高擊穿電壓、高開關速度和小尺寸，寬禁帶材料是補充電力市場行業(yè)的最有前途的候選材料。此外，它們可以減少每個系統(tǒng)的無源元件數(shù)量，從而實現(xiàn)緊湊的設計。然而，與硅相比，這些材料仍然很昂貴?！?/section>Infineon Technologies 高級總監(jiān)兼高壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)品營銷主管 Robert Hermann表示，從高層的角度來看，硅、碳化硅和氮化鎵的定位很簡單。“與硅相比，碳化硅在高溫、高功率和更高開關頻率的組合方面是最強的。這與主逆變器和車載充電的衍生系統(tǒng)成本降低相吻合?！?/section>氮化鎵是另一種主要的寬禁帶技術，具有更高的效率和改進的頻率特性?！芭c碳化硅相比，這兩個因素將功率密度提高到更高的水平。”Hermann說，“但是，要釋放這種好處，需要實現(xiàn)更大的系統(tǒng)更改，此外，還需要其他的半導體和無源產(chǎn)品?！?/section>不過，Yole 的 Dogmus 表示，就目前而言，SiC在電動汽車和大功率系統(tǒng)逆變器應用中的真正競爭是硅?！皩τ谔蓟瓒裕湫詢r比在更高電壓下很有吸引力。
例如，在 800V 電池車輛中采用 1,200V SiC 器件將代表一個重要的市場機會。同時，GaN 將繼續(xù)滲透到手機應用的快速充電市場。事實上，在較低功率下，與 SiC 相比，GaN 具有更好的成本效益。GaN 還有望滲透到數(shù)據(jù)通信和電信電源市場，用于小于 3kW 的系統(tǒng)，以及電動汽車應用中的 OBC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器?！?/section>并非所有的測試和檢驗過程都已完全解決，汽車應用中對零缺陷的需求對任何新材料來說都是一個非常高的標準。但許多半導體制造商認為，這些問題可以相對較快地克服，并且仍然非常看好電動汽車中 SiC 芯片的前景。“雖然 SiC 功率二極管已在商業(yè)上使用多年，但 SiC MOSFET 正在迅速改變 SiC 功率電子產(chǎn)品的市場格局?！绷_姆半導體技術營銷經(jīng)理Ming Su說。“近期市場增長的主要驅(qū)動力之一是電動汽車電力系統(tǒng)。自從幾年前汽車牽引逆變器首次采用 SiC MOSFET 技術以來，SiC 在能源效率和系統(tǒng)尺寸減小方面優(yōu)于硅器件的優(yōu)勢已被汽車行業(yè)廣泛接受。”Su說，今天，幾乎所有汽車OEM和電動汽車初創(chuàng)公司都已經(jīng)采用了碳化硅，或者正處于產(chǎn)品設計階段，將碳化硅用于電動汽車牽引逆變器和車載充電器中。?“碳化硅器件也已用于燃料電池汽車。使用碳化硅的其他汽車電源轉(zhuǎn)換器包括將電池電壓降低至 12V 或 48V 的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以及無線充電器。”在歐盟和其他地區(qū)制定的二氧化碳排放限制等政府法規(guī)的推動下，電動汽車目前正在經(jīng)歷巨大的繁榮。英飛凌的 Hermann 表示：“人們保護環(huán)境的強烈愿望也強調(diào)了這一點，同時仍然具有有趣的駕駛體驗。這意味著增加銷量，走出一個大的利基市場，進入汽車生產(chǎn)大眾市場的未來——并對OEM施加更大的定價壓力。在這種情況下，碳化硅發(fā)揮著非常重要的作用，因為它支持電動汽車電源應用的各種趨勢?！狈催^來，這為OEM打開了一長串新選擇，并為芯片制造商提供了同等數(shù)量的機會。“與 IGBT 相比，碳化硅的一個技術優(yōu)勢是更高的能效。汽車逆變器可以很好地說明這一點，其中幾個百分點直接轉(zhuǎn)化為更長的里程或更小的電池?！?/section>?Hermann說?！半S著功率損耗的降低，熱管理得到簡化。這意味著，盡管與 IGBT 相比，純功率半導體成本更高，但 SiC 可顯著降低系統(tǒng)成本。對于電動汽車購買者來說，公式很簡單——以更低的成本獲得更長的續(xù)航里程?！?/section>碳化硅的效率還意味著更多的車內(nèi)空間?！疤蓟杩梢酝ㄟ^另一種應用，即車載充電器，直接為更多空間做出貢獻?！盚ermann說，“為了增加續(xù)航里程，電池容量會增加。這意味著車載充電的功率水平需要增加，否則不可能在一夜之間為電池充滿電。此外，越來越多的應用需要雙向充電，例如車輛到電網(wǎng)。如果沒有設計和技術措施，車載充電器會變得很大，從而擠占車內(nèi)的現(xiàn)有空間。使用碳化硅，不僅可以提高效率，還可以實現(xiàn)更高的開關頻率。這導致更小的被動元件和較少的散熱系統(tǒng)。事實上，我們相信碳化硅的功率密度可以比傳統(tǒng)的硅基解決方案增加一倍，從而實現(xiàn)更好的設計目標并減小車載充電器的尺寸?！?/section>汽車制造商正在轉(zhuǎn)向 800V 直流總線，以增加車輛和各種應用的可用電量，而不會擴大電連接器的尺寸——這會給電動汽車增加不必要的重量和尺寸。對于這些應用，碳化硅比硅更有效，可以減少過多的熱量損失。“對于800V總線，額定電壓為 1,200V 的 SiC MOSFET 是合適的設計選擇，而不是使用 650V，后者是 400V 電池和系統(tǒng)的更合適選擇?！币夥ò雽w功率晶體管部門的戰(zhàn)略營銷、創(chuàng)新和關鍵項目經(jīng)理 Filippo DiGiovanni 說，“這意味著配備 SiC 的逆變器本質(zhì)上更高效，此外，碳化硅不那么嚴格的冷卻要求是另一大優(yōu)勢。也可以使用 GaN 晶體管（或高電子遷移率晶體管，HEMT），因為它們在高電壓應用中具有更明顯效率優(yōu)勢，例如電動汽車中的牽引逆變器，但 SiC 比具有橫向結(jié)構(gòu)的 GaN耐高電壓特性更好?！?/section>Onsemi 電動汽車牽引電源副總裁兼總經(jīng)理 Bret Zahn 表示，碳化硅是下一代半導體的關鍵材料，可為碳化硅功率開關器件提供技術優(yōu)勢，顯著提高電動汽車、電動汽車充電和能源基礎設施的系統(tǒng)效率。“碳化硅功率模塊是一個受歡迎的需求，但碳化硅裸片細分市場也在快速增長?！?/section>轉(zhuǎn)向更高電壓架構(gòu)以進行快速充電對電動汽車具有廣泛的影響。Veliadis 說：“在高電壓下，與硅同類產(chǎn)品相比，碳化硅的效率優(yōu)勢變得更加明顯。如今，幾乎所有電動汽車制造商的設計都采用 400V，而硅在這方面極具競爭力。通過使用更高的電壓——例如 800 到 1,000V——可以采用更細的導線，從而通過更輕的重量實現(xiàn)更快的充電，因為更高的電壓意味著在相同的功率水平下電流更少?！?/section>這有助于削減成本并使整個系統(tǒng)更高效?！半妱悠嚳蛻粝Ｍ吹脚c內(nèi)燃機相當?shù)亩▋r。要到達這一目標需要做更多的工作，”他說。“就電動汽車中 SiC 與硅的定價而言，當今 SiC 器件的較高成本被 SiC 優(yōu)勢帶來的整體系統(tǒng)簡化所抵消，包括更高的運行頻率和降低的散熱要求。此外，更高的 SiC 效率減少了電池的數(shù)量，這代表了電動汽車的顯著成本。因此，總體而言，電動汽車中的碳化硅具有競爭力，并且比硅解決方案更便宜。大規(guī)模 SiC進入市場的主要壁壘是可靠性和堅固性問題，以及缺乏訓練有素的開發(fā)者來實施這些技術?！?/section>他補充說，由于快速充電需要更高的電壓架構(gòu)才能以更低的電流（從而降低重量、體積和布線成本）獲得相同的功率，因此 SiC 的價值主張將變得更加明顯。為了推動這些技術的發(fā)展，OEM正變得更加垂直整合。這反過來又給一級和二級供應商帶來了進一步降低成本的壓力。它還有助于確保從晶圓到汽車電子供應商的不間斷供應鏈，以滿足更高需求。這引發(fā)了對 SiC 領域的投資浪潮，包括一些并購活動?！靶袠I(yè)收購是一種趨勢?！盫eliadis 說，“為了讓新進入者有效、及時地與在碳化硅技術領域擁有悠久歷史的公司競爭，收購能夠補充其專業(yè)知識的碳化硅公司可以帶來協(xié)同效應并加快上市速度?！?/section>舉個例子：2021年8 月，onsemi 宣布已達成最終協(xié)議，收購碳化硅 (SiC) 晶圓生長技術和襯底制造商 GT Advanced Technologies。“如今 400V 電池電壓很普遍，但從 2024 年開始，對 800V 電池系統(tǒng)的需求不斷增長。”onsemi 的 Zahn說，“這些系統(tǒng)可能會成為標準，因為它們通過提高密度和效率而不會在汽車內(nèi)部和充電站上產(chǎn)生配電損耗或電纜尺寸增加，從而實現(xiàn)每次充電的更長行駛里程。在 800V 總線所需的 1,200V 額定電壓下，SiC 相對于硅技術的優(yōu)勢更加明顯。SiC可以在更高的開關頻率下工作，并且可能在封裝限制下實現(xiàn)更高溫度的工作。鑒于特斯拉成功推出 SiC 以及對更高續(xù)航里程的需求，許多OEM都急切地推動實施 SiC電動傳動系統(tǒng)。”政府要求減少排放的壓力，加上電動汽車的日益普及，正在將碳化硅和其他寬帶隙材料推向前沿。然而，所有這一切都需要時間，到目前為止，碳化硅和氮化鎵是在某些汽車應用中替代硅的主要候選材料。在良率、缺陷和各種制造工藝方面，任何新材料都需要付出代價，但 SiC 有足夠的優(yōu)勢，可以讓OEM開始將其設計成電動汽車的各種組件。隨著汽車行業(yè)將這項技術推向主流，對定價施加壓力并解決晶圓廠可能出現(xiàn)的問題，碳化硅的使用量將會逐年成長。
來源：世界電子元器件 2021年第10期
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